Синтез волнового поля

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Февраль 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Принцип WFS

Синтез волнового поля ( WFS ) - это метод пространственного воспроизведения звука , характеризующийся созданием виртуальных акустических сред . Он производит искусственные волновые фронты, синтезированные большим количеством динамиков с индивидуальным управлением . Такие волновые фронты, кажется, происходят из виртуальной отправной точки, виртуального источника или условного источника . В отличие от традиционных методов пространственного звучания , таких как стерео или объемный звук , локализация виртуальных источников в WFS не зависит от положения слушателя и не изменяется вместе с ним.

Физические основы [ править ]

WFS основан на принципе Гюйгенса – Френеля , который гласит, что любой волновой фронт можно рассматривать как суперпозицию элементарных сферических волн. Следовательно, из таких элементарных волн можно синтезировать любой волновой фронт. На практике компьютер управляет большим набором отдельных громкоговорителей и приводит в действие каждый из них точно в то время, когда через него проходит желаемый виртуальный волновой фронт.

Базовая процедура была разработана в 1988 году профессором AJ Berkhout из Делфтского технологического университета . ^[1] Его математической основой является интеграл Кирхгофа – Гельмгольца . В нем говорится, что звуковое давление полностью определяется в объеме, свободном от источников, если звуковое давление и скорость определены во всех точках на его поверхности.

{\boldsymbol {P}}(w,z)=\iint _{dA}\left(G(w,z\vert z'){\frac {\partial }{\partial n}}P(w,z')-P(w,z'){\frac {\partial }{\partial n}}G(w,z\vert z')\right)dz'

Следовательно, любое звуковое поле можно реконструировать, если восстановить звуковое давление и скорость звука во всех точках поверхности его объема. Такой подход лежит в основе голофонии .

Для воспроизведения вся поверхность объема должна быть покрыта близко расположенными громкоговорителями, каждый из которых индивидуально управляется своим собственным сигналом. Более того, зона прослушивания должна быть безэховой , чтобы избежать отражений звука , которые нарушили бы предположение об отсутствии источника звука . На практике это вряд ли осуществимо. Поскольку наше акустическое восприятие наиболее точно в горизонтальной плоскости, практические подходы обычно сводят проблему к горизонтальной линии громкоговорителей, кругу или прямоугольнику вокруг слушателя.

Источник синтезированного волнового фронта может находиться в любой точке горизонтальной плоскости громкоговорителей. Для источников за громкоговорителями массив будет создавать выпуклые волновые фронты. Источники перед динамиками могут быть визуализированы с помощью вогнутых волновых фронтов, которые фокусируются на виртуальном источнике и снова расходятся. Следовательно, воспроизведение внутри громкости неполное - оно прерывается, если слушатель сидит между динамиками и внутренним виртуальным источником. Начало координат представляет собой виртуальный акустический источник, который приближается к акустическому источнику в том же месте. В отличие от обычного (стерео) воспроизведения, воспринимаемое положение виртуальных источников не зависит от положения слушателя, позволяя слушателю двигаться или давая всей аудитории согласованное восприятие местоположения источника звука.

Процедурные преимущества [ править ]

Звуковое поле с очень стабильным положением акустических источников может быть создано с помощью синтеза волнового поля. В принципе, можно создать виртуальную копию настоящего звукового поля, неотличимого от реального звука. Изменение положения слушателя в области воспроизведения может произвести такое же впечатление, как и соответствующее изменение местоположения в комнате для записи. Слушатели больше не находятся в зоне наилучшего восприятия в комнате.

Двигающееся изображение Группа экспертов стандартизирована объектно-ориентированный стандарт передачи MPEG-4 , который позволяет отдельную передачу контента (сухой записанные аудио сигнала) и формы (импульсный отклик или акустическую модель). Каждому виртуальному источнику звука нужен собственный (моно) аудиоканал. Пространственное звуковое поле в комнате для записи состоит из прямой волны акустического источника и пространственно распределенного рисунка зеркальных акустических источников, вызванных отражениями от поверхностей комнаты. Уменьшение этого пространственного распределения зеркального источника на несколько передающих каналов приводит к значительной потере пространственной информации. Это пространственное распределение может быть синтезировано намного более точно стороной воспроизведения.

По сравнению с традиционными процедурами воспроизведения, ориентированными на каналы, WFS обеспечивает явное преимущество: виртуальные акустические источники, управляемые содержимым сигналов связанных каналов, могут быть расположены далеко за пределами области традиционного воспроизведения материала. Это снижает влияние положения слушателя, поскольку относительные изменения углов и уровней явно меньше по сравнению с обычными громкоговорителями, расположенными в зоне воспроизведения. Это значительно расширяет зону наилучшего восприятия; теперь он может покрывать почти всю область воспроизведения. Таким образом, WFS не только совместим с традиционными канально-ориентированными методами, но и потенциально улучшает их качество.

Проблемы [ править ]

Чувствительность к акустике помещения [ править ]

Поскольку WFS пытается имитировать акустические характеристики пространства для записи, акустика области воспроизведения должна быть подавлена. Одним из возможных решений является использование акустического демпфирования или иное расположение стен в поглощающей и неотражающей конфигурации. Вторая возможность - воспроизведение в ближнем поле. Чтобы это работало эффективно, громкоговорители должны быть очень плотно соединены в зоне слуха, или поверхность диафрагмы должна быть очень большой.

В некоторых случаях наиболее ощутимой разницей по сравнению с исходным звуковым полем является уменьшение звукового поля до двух измерений по горизонтали линий громкоговорителей. Это особенно заметно при воспроизведении атмосферы. Подавление акустики в области воспроизведения не дополняет воспроизведение естественных акустических окружающих источников.

Псевдоним [ править ]

Имеются нежелательные пространственные искажения наложения спектров, вызванные зависящими от положения узкополосными обрывами частотной характеристики в пределах диапазона воспроизведения. Их частота зависит от угла наклона виртуального акустического источника и от угла расположения слушателя по отношению к расположению громкоговорителей:

f_{\text{alias}}={\frac {c}{\Delta x\left|\sin \Theta ^{\text{sec}}-\sin \Theta ^{\text{v}}\right|}}

Для воспроизведения без наложения спектров во всем звуковом диапазоне необходимо расстояние между одиночными излучателями менее 2 см. Но, к счастью, наше ухо не особенно чувствительно к пространственному искажению. Обычно достаточно расстояния эмиттера 10–15 см. ^[2]

Эффект усечения [ править ]

Другой причиной нарушения сферического волнового фронта является эффект усечения . Поскольку результирующий волновой фронт представляет собой смесь элементарных волн, может произойти внезапное изменение давления, если никакие другие громкоговорители не доставляют элементарные волны там, где заканчивается ряд громкоговорителей. Это вызывает эффект «теневой волны». Для виртуальных источников звука, размещенных перед громкоговорителем, это изменение давления ускоряется перед фактическим волновым фронтом, благодаря чему оно становится отчетливо слышимым.

С точки зрения обработки сигналов , это спектральная утечка в пространственной области, вызванная применением прямоугольной функции в качестве оконной функции к тому, что в противном случае было бы бесконечным массивом динамиков. Теневую волну можно уменьшить, если уменьшить громкость внешних динамиков; это соответствует использованию другой функции окна, которая сужается, а не усекается.

Высокая стоимость [ править ]

Еще одна вытекающая из этого проблема - высокая стоимость. Большое количество отдельных преобразователей должно быть очень близко друг к другу. Уменьшение количества преобразователей за счет увеличения расстояния между ними приводит к появлению артефактов пространственного наложения. Уменьшение количества преобразователей на заданном расстоянии уменьшает размер поля излучателя и ограничивает диапазон представления; за его пределами не могут создаваться виртуальные акустические источники.

Исследования и зрелость рынка [ править ]

Двухмерное размещение массивов динамиков с синтезом волнового фронта.

Ранняя разработка WFS началась в 1988 году в Делфтском университете . ^{[ необходима цитата ]} Дальнейшая работа проводилась с января 2001 по июнь 2003 года в контексте проекта CARROUSO Европейским Союзом, в который входили десять институтов. ^{[ необходима цитата ]} Звуковая система WFS IOSONO была разработана Институтом цифровых медиа-технологий Фраунгофера (IDMT) Техническим университетом Ильменау в 2004 году.

Первая прямая трансляция WFS состоялась в июле 2008 года, когда был воссоздан органный концерт в Кельнском соборе в лекционном зале 104 Берлинского технического университета . ^[3] В зале установлена самая большая в мире акустическая система с 2700 динамиками на 832 независимых каналах.

Тенденции исследований в области синтеза волнового поля включают рассмотрение психоакустики для уменьшения необходимого количества громкоговорителей и реализации сложных свойств звукового излучения, чтобы виртуальный рояль звучал так же великолепно, как в реальной жизни. ^[4]^[5]^[6]

См. Также [ править ]

Амбисоника , родственная техника пространственного звука
Голофоны , звуковые проекторы
Световое поле , аналог для света

Ссылки [ править ]

^ Бранденбург, Карлхайнц; Брикс, Сандра; Спорер, Томас (2009). Конференция 3DTV 2009: Истинное видение - захват, передача и отображение 3D-видео . С. 1–4. DOI : 10.1109 / 3DTV.2009.5069680 . ISBN 978-1-4244-4317-8. S2CID 22600136 .
^ «Документ конвенции общества инженеров аудио, пространственные артефакты наложения, производимые линейными и круговыми массивами громкоговорителей, используемыми для синтеза волнового поля» (PDF) . Проверено 3 февраля 2012 .
^ «Птицы на проводе - Livre du Saint Sacrément Оливье Мессиана в первой в мире прямой трансляции синтеза волнового поля (технический отчет)» (PDF) . 2008 . Проверено 27 марта 2013 .
^ Ziemer, Тим (2018). «Синтез волнового поля». В Бадере, Рольф (ред.). Справочник Спрингера по систематическому музыковедению . Справочники Springer. Берлин / Гейдельберг: Springer. С. 329–347. DOI : 10.1007 / 978-3-662-55004-5_18 . ISBN 978-3-662-55004-5.
^ Ziemer, Тим (2017). "Ширина источника в музыкальном производстве. Методы в стерео, амбисонике и синтезе волнового поля". У Шнайдера, Альбрехта (ред.). Исследования по музыкальной акустике и психоакустике . Текущие исследования в систематическом музыкознании. 4 . Чам: Спрингер. С. 299–340. DOI : 10.1007 / 978-3-319-47292-8_10 . ISBN 978-3-319-47292-8.
^ Ziemer, Тим (2020). Синтез звукового поля психоакустической музыки . Текущие исследования в систематическом музыкознании. 7 . Чам: Издательство Springer International. DOI : 10.1007 / 978-3-030-23033-3 . ISBN 978-3-030-23033-3.

Дальнейшее чтение [ править ]

Беркхоут, AJ: Голографический подход к акустическому контролю, J.Audio Eng.Soc., Т. 36, декабрь 1988 г., стр. 977–995.
Беркхоут, AJ; De Vries, D .; Фогель, П.: Акустическое управление синтезом волнового поля, J.Acoust.Soc.Am., Т. 93, Mai 1993, pp. 2764–2778.
Синтез волнового поля: краткий обзор
Что такое синтез волнового поля?
Возвращение к теории синтеза волнового поля
Синтез волнового поля - многообещающая концепция пространственного рендеринга звука
Цимер, Тим (2015). Применение радиационных характеристик музыкальных инструментов в приложениях синтеза волнового поля (PDF) (Диссертация). Гамбургский университет.

Внешние ссылки [ править ]

Фото установки синтеза волнового поля
Различия в восприятии между синтезом волнового поля и стереофонией , Гельмут Виттек
Включение свойств комнаты воспроизведения в синтез для WFS - Holophony
Синтез волнового поля - многообещающая концепция пространственного рендеринга звука от Гюнтера Тейле / (IRT)
Синтез волнового поля в IRCAM
Синтез волнового поля в Университете Эрлангена-Нюрнберга
Генератор волнового поля производства HOLOPLOT Германия
Пересмотр теории синтеза волнового поля. С. Спорс, Р. Рабенштейн и Дж. Аренс. На 124-м съезде AES, май 2008 г.
Воспроизведение звука с помощью синтеза волнового поля (диссертация, 1997) Эдвина Верхейена
Синтез волнового поля Анимация (60 сек.)

[1] Бранденбург, Карлхайнц; Брикс, Сандра; Спорер, Томас (2009). Конференция 3DTV 2009: Истинное видение - захват, передача и отображение 3D-видео . С. 1–4. DOI : 10.1109 / 3DTV.2009.5069680 . ISBN 978-1-4244-4317-8. S2CID 22600136 .

[2] «Документ конвенции общества инженеров аудио, пространственные артефакты наложения, производимые линейными и круговыми массивами громкоговорителей, используемыми для синтеза волнового поля» (PDF) . Проверено 3 февраля 2012 .

[3] «Птицы на проводе - Livre du Saint Sacrément Оливье Мессиана в первой в мире прямой трансляции синтеза волнового поля (технический отчет)» (PDF) . 2008 . Проверено 27 марта 2013 .

[zie-4] Ziemer, Тим (2018). «Синтез волнового поля». В Бадере, Рольф (ред.). Справочник Спрингера по систематическому музыковедению . Справочники Springer. Берлин / Гейдельберг: Springer. С. 329–347. DOI : 10.1007 / 978-3-662-55004-5_18 . ISBN 978-3-662-55004-5.

[width-5] Ziemer, Тим (2017). "Ширина источника в музыкальном производстве. Методы в стерео, амбисонике и синтезе волнового поля". У Шнайдера, Альбрехта (ред.). Исследования по музыкальной акустике и психоакустике . Текущие исследования в систематическом музыкознании. 4 . Чам: Спрингер. С. 299–340. DOI : 10.1007 / 978-3-319-47292-8_10 . ISBN 978-3-319-47292-8.

[soundfieldsynthesis-6] Ziemer, Тим (2020). Синтез звукового поля психоакустической музыки . Текущие исследования в систематическом музыкознании. 7 . Чам: Издательство Springer International. DOI : 10.1007 / 978-3-030-23033-3 . ISBN 978-3-030-23033-3.

[1]