[发明专利]模拟虚拟空间的声音使听者欣赏虚拟仿真声音感受的方法和设备

说明书

本发明涉及一种用于确定任意空间中声音的声学特性，以使处于现实空间中的听者能够感受到在其他任意空间中声音的声学效果的方法和设备。

更具体地讲，本发明涉及一种根据声音的声学特性在现实空间中再现任意空间中声音的方法和设备。

过去已经有一些计算现实空间及虚拟空间中的声音的声学特性的方法。例如，许多传统的被广泛应用的计算方法，诸如声辐射线法、虚象法以及基于正则几何声学的类似方法。然而，这些计算方法是有缺陷的，在计算结果中都忽略声音和相位信息的波特性，导致相当大的计算误差。另一方面，还有一些计算方法，如有限元法、边界元法以及类似计算方法，这些方法考虑到了声音的波特性，因而在确定声音的实际声学特性方面，其精确度是很好的。然而，这些计算方法如有限元法及边界元法也有不足之处，对所谓的高频的如16HKz和类似频率的声频带，需要很大的计算量，才能获得计算结果。这些事实使得即使用目前正在开发的高级计算机来得到计算结果也是很困难的。

于是，显然需要有一种能在比较短的时间内高精度地确定声音的声学特性、并且与声音的现实声学特性相比，所确定的声学特性具有很小的误差的方法和设备。

待测的声学特性被定义为一到达预定观测点，例如听众席的一簇声波，这簇声波由体现为具有尖锐前沿的单脉冲瞬时信号如Δ近似函数的基本声波构成，瞬时信号作为在预定位置例如舞台上产生的，并在空间进行三维传播，被限定空间的墙壁反射，到达预定观测点如听众席的基本声波。一般，这簇中的声波被称为瞬时响应信号。所以，瞬时响应信号代表从瞬时信号得到的并在空间从不同方向经不同延时到达相同观测点的声波叠加之结果。通过应用此种瞬时响应信号，可以再现语音和如音乐之类的声音，以及类似的一般声音。所以，能使一个听者感到仿佛他就坐在听众席上欣赏舞台上演奏的音乐。

根据本发明的第一基本方法确定的并在下文详细描述的声音的声学特性是能够实现高度现实性的瞬时响应信号。因而，这些瞬时响应信号形成一簇高精度地代表频率调整、相位延迟等的无数个脉冲。所以，如下文所述，当利用瞬时响应信号精确再现一种声音时，则需要一种能高速处理数据声音再现设备。

换言之，为了按数字模式存贮这种精确的瞬时响应信号，需要按信号幅度用数字表示在每一所谓的取样时间间隔内的瞬时响应信号的响应脉冲，这种脉冲随时间而变化，并在从瞬时信号发出至瞬时响应信号消失的时期内用很短的时间间隔(例如取样时间间隔，即取样频率的倒数)将其划分。然后，利用这些瞬时响应信号再现在实际的音乐演奏或类似场合中产生的声音。在声音的再现过程中，如图9所示，采用了用于产生分立的数字信号的中央处理76(下文称CPU76)。该CPU76包括：设定和存贮瞬时响应信号83的存储器，在存储器中将多个响应脉冲以数字形式沿时间轴排列；及乘积之和计算器84，其中，在实际音乐演奏中产生的并沿用离散信号80数字化表示的声音与其瞬时信号83一起进行实时卷积变换，由此产生数字信号86。

根据这样存贮的瞬时响应信号，再现显现音乐性能的声音。为此目的，CPU76必须连续不停地在每个取样时间间隔内实时地将所有瞬时响应信号数据加在一起。例如为了再现20KHz的频率，必须进行48KHz的数字取样。在混响时间，即瞬时响应信号渐渐消亡到基本上可被忽略不计的点所花费的时间为1.3秒的情况下，所需取样次数为65,536次。所以，为了再现声音，每20.8毫秒(48KHz的倒数)必须将65,536个脉冲数据相加，并将其加算结果输出。这种高速卷积变换函数仅由很昂贵的CPU76提供。由于其价格高，使用这种昂贵的CPU76是不实际的。

因此，需要有一种不减弱其现实性的再现声音的简单方法和设备。

另一方面，目前，广泛使用视频设备使我们在自己家中或在自己的个人房间内通过视频盒式播放机欣赏各种电影和类似画面，为了丰富我们的欣赏，再现这些画面的伴音是极为重要的。为此目的，电视机设有用于环绕语音声音系统的常规扬声器输出终端。某些电视机还设有模拟声音再现系统，如Dolby环绕系统等等。然而，在实际的影剧院里，为使听众欣赏到二维或三维声场，在影院的侧面墙壁或在影院的电影银幕附近的适当位置设置大量扬声器，例如10个或更多扬声器。所以，当通过我们家中的电视机的环绕语音声音系统的扬声器终端再现该画面的伴音时，不可能欣赏到我们可在影院中体验到的三维声场的感受。