头部官能结构对HRTF的影响及主观验证实验

　　0 引言　　

　　近年来，随着移动多媒体技术的发展，人们对使用耳机重放时声场自然逼真效果的要求也越来越高，录音真实程度高、声场逼真效果好的人工头录音技术也越发引起关注。现有的人工头除了有对头部各细节进行精确复制的仿真头模，还有头部结构有一定程度简化的人工头模[1]。仿真头模的细节(如头的大小和形状、眼窝、嘴、颧骨、耳廓的精细结构等)接近真人，双耳录音重放声场逼真度高。然而，过分追求细节的逼真度会增加仿真头的造价成本。考虑到人的听觉感知具有一定的模糊性，可以在保留人工头基本声学特性不变的前提下对头部细节进行一定程度的简化。简化头模因结构简单，价钱相对便宜，但声场还原效果较仿真头模有一定差别。国际上现有的简化头模产品种类很多，但由于商业机密等原因，对依据何种原则对头部结构进行简化设计尚未有公开报道。本文选择中国传媒大学自主设计的中国成年男性仿真头模(简称仿真头模)和椭球简化头模进行测量，比较分析不同的头部细节结构带来的HRTF 频谱上的差异。HRTF 即Head-Related Transfer Function，也叫头相关传输函数，反映了声波从声源发出到被人耳接收过程中头部和耳廓等结构对声波产生的滤波作用。由于人的个性化因素，HRTF也是一个非常具有个性化的指标，分析不同结构声学头模的HRTF变化，是最为直观地得出不同结构对 HRTF影响的方法。同时结合主观实验验证了头部不同细节结构对录音效果听感上的影响。通过测量分析结合主观实验验证的方法，最终可明确在设计制作简化头模时，头部哪些细节结构可去掉，而哪些是与声学特性密切相关的，为简化头模的设计提供一定的理论依据。

　　1 不同头模制作、HRTF测量及录音

　　1.1 不同官能结构头模制作

　　研究表明，相比于简单的刚性圆球模型，人头结构更接近于椭球体，椭球的声学频率特性与真人也较为贴近，所以本文选定椭球作为简化头部结构，通过对其添加不同的官能结构(耳廓、鼻子、头发等)，结合HRTF测量，讨论不同头部官能结构对HRTF的影响，同时为了研究头部其他细节(眼窝、头颧骨等)的影响，还特别将带有不同结构的简化头模与仿真头模进行对比分析。实验使用的仿真头模如图1(a)所示，是按照中国成年男性头型三维尺寸国家标准和中国成年人头面部尺寸国家标准[2,3]自主设计;简化椭球头模如图1(b)所示，尺寸选取亦是参照相应国标[3]。仿真头模和简化椭球头模上安装的耳廓模型均相同，是在对中国成年男女耳廓形态进行了群体研究的基础上，根据耳廓形态细节统计结果得到的具有代表性细节特征设计而成的，即所谓的“标准耳”[4]，如图1(c)所示。表1给出了不同官能结构头模的结构说明。