多区域声场重现的系统理论与主要技术研究

Multi-zone sound field reproduction aims to generate multiple independent sound zones within the same physical space so that different listeners would enjoy their desired audio material simultaneously without physical separation or wearing a headphone. The concept of multi-zone sound field control has recently drawn attention due to a whole range of audio applications, such as controlling sound radiation from a personal audio device, creating individual sound zones in all kinds of enclosures, and generating quiet zones in a noisy environment. As one of the current research interests in spatial audio area, multi-zone sound field reproduction has received considerable attention from the audio signal processing community but still remains at an early developmental stage. The most significant issues are the lack of a systematic theory to describe and analyze the complexity and uncertainty associated with the problem and an effective method to evaluate the reproduction performance under different acoustic environments. Based on the wave-domain sound field analysis and synthesis, this project aims to advance the fundamental research in multi-zone sound field reproduction, and to develop new theory and technology to achieve performance analysis/evaluation, optimal design and effective implementation. The research tasks include developing a systematic theory for multi-zone reproduction, a model to describe loudspeaker directivity and its optimal array design, and wave-domain adaptive processing for room compensation.

多区域声场重现技术旨在实现在同一空间内生成多个相互独立的声音区域，不同听者无须佩戴耳机就可同时聆听他们各自的音频内容。这项技术现已成为空间音效领域的研究热点之一，它将从根本上改变未来音频技术的发展方向，并且拥有广阔的应用前景，诸如控制个人音频设备的声音辐射，在各种公共场所中产生个人声区，以及在嘈杂的环境中产生静区。时至今日，多区域声场重现技术还处于研究的初期阶段，有许多问题有待解决，其中最主要的是缺乏系统的理论基础来描述和分析问题的复杂性、不确定性、以及在不同声学环境下评估系统的性能。本项目拟以波域声场的分析、处理和合成技术为基础，旨在推进多区域声场重现问题的基础研究，并注重于提出新的理论和技术来实现对多区域声场重现系统的性能分析与评估、优化设计、及有效实施。研究的主要内容包括多区域声场重现问题的系统理论、指向性扬声器和扬声器阵列设计、以及研发区域内房间补偿算法。

多区域声场重建技术旨在实现在同一空间内生成多个相互独立的声音区域，不同听者无须佩戴耳机就可同时聆听他们各自的音频内容。这项技术现已成为空间音效领域的研究热点之一，它将从根本上改变未来音频技术的发展方向，并且拥有广阔的应用前景，诸如控制个人音频设备的声音辐射，在各种公共场所中产生个人声区，以及在嘈杂的环境中产生静区。本项目以波域声场的分析、处理和合成技术为基础，旨在推进多区域声场重现问题的基础研究，并注重于提出新的理论和技术来实现对多区域声场重现系统的性能分析与评估、优化设计、及有效实施。研究的主要内容包括多区域声场重现问题的系统理论、指向性扬声器和扬声器阵列设计、以及研发区域内房间补偿算法。经过四年的研究，本项目在理论和方法上取得了重要进展，主要成果包括：1）提出波域多区域声场重现系统的理论模型、性能分析方法和优化设计方案；2）提出基于加权模式匹配方法的2.5D多区域声场重现系统，以及对听者身体的声反射和重放混响环境影响的主动补偿方法；3）针对多通道主动噪声控制技术，提出基于噪声空间稀疏特性的多通道主动噪声控制系统，以及基于波域自适应信号处理技术的区域内主动噪声控制系统以及在线次级路径建模算法；4）提出基于线阵的超指向性扬声器阵列设计方法、环形可变指向性扬声器的理论模型和原型机，以及基于指向性扬声器阵列的声场重现系统；5）提出基于高阶麦克风阵列的声场拾取和声场系数计算，以及基于分布式多通道空间声场主动控制系统。 除此之外，本项目完成环形指向性扬声器原型机和多区域声场重建技术演示系统的搭建工作。