梁振中

耳机虚拟3D技术在电子音乐创作中的应用探究

梁振中

（宝鸡文理学院，陕西宝鸡，721013）

本文对电子音乐创作中的虚拟3D音频技术进行了探讨，并对其定位和重放的原理进行论述，同时利用MatLab软件对其进行了简单的音频合成。

耳机虚拟3D；MatLab；定位；环绕声重放

1 虚拟3D音频技术

该技术具有为广大的听者进行定位其周围声音的能力。在实际中，我们可以看出其声音是来源于音响或耳机，但是听者所感受到的声音却是来自空间当中的任意的位置。而类似于立体声一样，其声音则是通过两只箱对其进行定位，并在没有音响的位置的情况下，即可制造出一些声音的幻觉。

但是，在实际中，传统的立体声系统则不会对声音进行定位，并测定出声音是来自听者的背部、上方或者是下方。而我们常用的多扬声器可对生源进行定位，但智能定位到听者的身边的某些位置，并且其需要很多的硬件和软件设施的支持。

而所谓的3D音频，其仅仅在使用的过程中使用立体声的设备，就可得到相应的三维空间的音响听感，而这也是该技术的关键。通过耳机虚拟3D技术，为广大的听者提供三维环境的听感，并通过声源位置来制造虚拟的环境变成可能。换句话说，就是在听者明明不知道声音来源的情况之下，其却可有效的感觉到某个位置并能确定的位置发出了声音。而这就是虚拟3D的最为主要的原因。声音提供了一种重要的反馈途径,不仅增加了听者对视觉线索的反馈,也提供了听者在视觉范围之外,对动作和环境的反馈。比起视觉,三维的声音可以在听者周围的360度空间中提供多重的实际声音来源,因此具有更人的优越性。

2 虚拟3D音频的技术原理

人的听觉是依靠两个不同的方法进行定位：第一种方法是IID，也就是通过声音达到双耳之间的强度差来进行定位。声音从出发点到达双耳的强度时不一样的，如果相同的声音，到达最近的那个声音其强度哟啊大一些，而这些细微的强度的差别则会使得人体的耳朵产生不同的感觉，从而可以判断出声音大概来自人体的那个方向，并作出定位；另外一种方法则是ITD，通过对声音到达双耳的时间差来做最后的判断。和强度的原理类似，其不同的声音传播的距离因为人体的耳朵的不同，而通过这种时间差的判断，从而可对作出一定的定位。

图1 双耳的时间差

而除了上述的时间差以外，还可以采用频率的变化来对声音的来源进行位置的定位。在实际中，耳朵则犹如一个滤波器，其通过通过的过滤，将声音传递给大脑。而耳廓基本可接收到现实中存在的任何的声音来源。从而通过耳廓对声音进行定位。

3D音频主要的作用和目的就是将这些定位效果进行还原，利用声音在传播中的IID、ITD、频率的变化,通过数字虚拟声场来模拟出声音所处的位置。

3 3D音频技术的实现方式

3.1 声音定位

与多扬声器系统相比，虚拟3D音频技术具有很大的创新。传统的如立体声设备其输出的信号上，是通过对信号的处理，来加强对其中的方位性的“依赖传递函数”。而这些函数则必须通过听者，其每天在生活中不间断的对声音进行三维空间的潘端端，以此来重建比复杂的声学信号。而无需再借助实际的多方位扬声器对其进行重新的位置确立。3D音频技术则仅依靠简单的 立体耳机，即可实现对三维空间当中的声音来源，而这也是该技术的关键。其中的“依赖传递函数”则是借助现代计算机技术进行编程而实现的，这也是该技术能比较成熟的根本的原因。

而要获取虚拟3D的音频，对其进行合成，则还需要相关的HRTF数据。通过HRTF对数据的处理，得到声音信号的卷积，而这也是虚拟3D音频被合成的最关键性的步骤。通过使用单声道的声源信号,在领域内合成虚拟3D音频，其具体的步骤则是：首先是对对声音信号进行傅里叶变换,变换后的数据分别于左右而得HRTF数据进行计算,然后对计算结果再进行傅里叶逆变换,即可得到虚拟3D音频的声音文件。

3.2 声音回放

而除了对声音的定位以外，还可进行声音的重放。以5.1环绕声作为比较。环绕声重放设计如图2所示。

如在三维立体的耳机重放当中，其首先也是对信号进行处理。在进行重发左右环绕声信号时候，其将原来的二维转换成三维，也就是讲其中的图2当中的H31,H32,H41,H42通过一个3D的处理模块来对其进行替代。

因此，在经过对研究后，决定采用图3的方式，在3D模块中，采用了3对HRTF数据，其具体的位置则为水平面上的后方±60°(LS1,RS1),水平仰角为30°的后方±60°(LS2,RS2),水平仰角为60°的后方±60°(LS3,RS3)的方位角。而采用这些角度则是按照一般的情况而定。其具体的角度则根据具体的方位进行选择。

同时还必须进行计算公式的调整。其环绕重放的计算公式为：

通过声音反馈合成：

4 虚拟3D音频的创作

图2 普通5.1环绕声重放系统

以《水花.灵》作为案例。该创作作品其总共为10分钟的时间。该作品其最大的灵感在于水花的灵性的表达。通过一滴水在滴入到水面，到最后沉入到水底，而这粒水滴也在不但的孕育着不同的人们的生活，同时也在孕育着生物。而如何利用相关的器材采样，表现出这种意境。因此，作品采样电吉他摩擦琴弦声，通过对不同频率的颤抖来调制出不同的水流的声音，同时利用模拟的合成器来调制音色垫，以此给广大的听者制作出一种身处在水中的那种感觉。通过这种延展，一滴灵性的谁，在进不到水面之后，开始子啊水底慢慢的进行活动，并在自然的孕育之后，水底又开始慢慢的形成，并滋润的大地。而在6分零3秒的时候，出现了转折点，这种静和零星开始在水底不断的翻腾。

而要对该音频进行制作，则必须用到Matlab软件。MATLAB是由美国的mathworks公司在面对交互式程序、可视化等方面而推出的一个计算的环境。其将非线性动态、可视化、矩阵分析等进行建模和仿真，从而形成一个易于使用的视窗的环境，以此为科学研究等进行有效的计算的软件。

而在该制作过程中，则利用Matlab的纯代码编写的这种模式，通过采用不同的代码将音频进行导入，同时在其中套用HRTF的相关参数，通过其中的卷积形成具有3D效果的虚拟音频。而如果该音频需要进行多轨的合并，则必须对其中的不同的音频进行单独的3D虚拟制作，在做好后再进行音频的合并。本文在创作中则利用Matlab软件的量化指令对音频进行实现，同时无法在其中做到平滑。因此，虽然制作完成，但是该软件之适用于少量的音乐制作。

5 构建的意义

随着现代信息技术的发展，未来的音乐创作，特别是在电子音乐的制作方面将具有很大的转换的空间。而这种技术的应用也给广大的作曲家带来了新的空间，特别是在舞台表现方面。采用该技术之后，其作曲的理念也不再仅仅局限于对传统的音色和音乐素材的追求，而开始使用这种交互式的技术，实现听者沉浸式的享受，从而通过音乐大厅即可让广大的听众感受到作曲家的作曲理念，从而形成音乐、人等为一体的新的音乐享受。

[1] 殷福亮,汪林,陈 ,《三维音频技术综述》[J],通信学报,2011年2月

[2] 李定川,《3D音频技术综述》[J],电子报,2007年10月、11月、12月

[3] 丁林,《基于HRTF的虚拟环绕声技术的研宄与IP核的实现》[D],中南民族大学硕士学位论文,2012年5月

梁振中，男，汉族，33岁，1977年12月出生于陕西榆林。讲师，宝鸡文理学院音乐系。2007年毕业于西安音乐学院，获得文学硕士。研究方向：音乐教育。

Research on Application of Headset virtual 3D technology in electronic music.

Ling Zhenzhong
(Baoji University of Arts and Sciences,shanxiBaoji，721013)

This paper discusses the virtual 3D audio technology,electronic music,and the principle of its positioning and playback is discussed,meanwhile has carried on the simple audio synthesis using MatLab software.

Headset virtual 3D;MatLab;localization;surround sound reproduction

图3 3D添加处理过程