一种外耳声音信号传递函数的计算方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声学领域，特别涉及一种外耳声音信号传递函数的计算方法及应用。
【背景技术】
[0002] 长期W来，录制和重放听音者鼓膜在原声场的声压信号一直是人们理想中得到原 声场身历其境听觉效果的方法。然而，直接将传声器放置于真人鼓膜处录制声压信号是极 其危险困难的。另外，人的头和耳的形状、尺寸因人而异，统一的录音及重放系统不能使不 同人获得各自特有的原声场鼓膜接收的信号。
[0003] 本领域技术人员试图采用标准仿真头来代替真人头和耳道W便得到鼓膜处的 录音，该技术的缺点是其仿真头形状与众多个体人头之间存在差异，并且仿真头的外耳 声学特性模拟范围限于1000 OHzW下，如参考文献1 "IEC60318-4,Electroacoustics -Simulatorsofhumanheadandear-Part4:Occluded-earsimulatorforthe measurementofearphonescoupledtotheearbymeansofearinserts, (2010)'，所 示。因此现有技术不能真实地在整个音频范围（20-20000HZ)拾取人耳鼓膜在原声场接收 的声信号。因此一套能够安全方便地获取接近真实鼓膜声音的信号并且忠实重放的方法具 有极其重要的实用意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中不能真实地在整个音频范围拾取人耳鼓膜在 原声场接收的声信号的缺陷，从而提供一种能够安全方便地获取接近真实鼓膜声音的信号 并且忠实重放的方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了一种外耳声音信号传递函数的计算方法，用于 对听音者耳道口封闭时，听音者耳道口的声压信号与听音者鼓膜在原声场接收的声压信号 之间的传递关系进行计算；该方法包括：
[0006]步骤101)、计算人体外耳壳的反射系数；
[0007]步骤102)、将人体的外耳道模拟为具有一定长度和截面函数的多个声管的组合， 并计算各个声管边界处的反射系数；
[0008]步骤103)、计算人体鼓膜处的反射系数；
[0009]步骤104)、由步骤101)得到的人体外耳壳的反射系数、步骤102)得到的各个模拟 声管边界处的反射系数W及步骤103)得到的人体鼓膜处的反射系数，得到听音者耳道口 等效体积速度源至鼓膜处体积速度之间的传递函数；
[0010] 步骤105)、根据鼓膜阻抗和耳壳的福射阻抗，W及步骤104)所得到的听音者耳道 口等效体积速度源至鼓膜处体积速度之间的传递函数，推导封闭的耳道口的声压信号P。与 听音者鼓膜在原声场接收的声压信号Ped之间的传递函数。
[0011] 上述技术方案中，在步骤101)中，所述人体外耳壳的反射系数与人体外耳壳的福 射阻抗Z。、耳道口处耳道的截面积Si有关，其表达式如下：
[0013] 其中，PC为声阻抗率。
[0014] 上述技术方案中，所述人体外耳壳的反射系数模拟为IIR滤波器，其一阶特例为：
[0016]其中，U、a和目为待定滤波器的系数，Z表示Z变换的频率。
[0017] 上述技术方案中，在步骤102)中，所述的将人体的外耳道模拟为具有一定长度和 截面函数的多个声管的组合包括；将所要模拟的人体外耳道模拟为M段串联的等长变截面 声管；其中，M的值为2化/c,Fs表示离散时间系统的采样率，L为因人而异的耳道长度，C 为声速。
[0018] 上述技术方案中，在步骤102)中，计算各个声管边界处的反射系数包括：
[0020] 其中Sm为第m段管的截面积，Smu为第m+1段管的截面积，rm为第m段声管与第 m+1段声管间界面的反射系数。
[0021] 上述技术方案中，在步骤103)中，所述人体鼓膜处的反射系数的物理表达式如 下：
[0023] 其中，Zpd为随频率而变的鼓膜声阻抗。
[0024] 上述技术方案中，在步骤104)中，所述听音者耳道口等效体积速度源至鼓膜处体 积速度之间的传递函数被模拟为一数字滤波器，该数字滤波器传递函数的表达式如下：
[0026] 其中，U。为听音者耳道口等效体积速度源，化d为听音者鼓膜处体积速度，r。(Z)表 示人体外耳壳的反射系数的数字滤波器模型，rpd(Z)表示人体鼓膜处的反射系数的数字滤 波器模型，rm表示各个声管边界处的反射系数，M为声管的段数。
[0027] 上述技术方案中，所述步骤105)包括：
[0028] 听音者鼓膜在原声场接收的声压信号Ped与听音者鼓膜处体积速度化d之间存在如 下关系：
[002引 Ued=Ped/Zed
[0030] 封闭的耳道口声压信号P。与耳道口等效体积速度源U。之间存在如下关系：
[003dU。=P0/Z0
[0032] 由听音者耳道口等效体积速度源U。至鼓膜处体积速度化d之间的传递函数、听音 者鼓膜在原声场接收的声压信号Ped与听音者鼓膜处体积速度化d之间的关系、封闭的耳道 口声压信号P。与耳道口等效体积速度源U。之间的关系，得到听音者鼓膜在原声场接收的声 压信号Ped与封闭的耳道口声压信号P。间的传递函数：
[0034] 本发明还提供了一种用于获取听音者鼓膜在原声场接收的声压信号的方法，包 括：
[0035] 步骤a)、对听音者耳道口加W封闭，检测听音者封闭耳道口的声压信号；
[0036] 步骤b)、根据听音者封闭耳道口的声压信号，W及权利要求1-8之一所述的外耳 声音信号传递函数的计算方法所得到的传递函数，得到听音者鼓膜在原声场接收的声压信 号。
[0037] 本发明又提供了一种外耳声音信号传递函数的计算方法，用于对听音者佩戴耳机 时，听音者所佩戴耳机的输入电信号与耳机放音时听音者鼓膜在原声场接收的声压信号之 间的传递关系进行计算；该方法包括：
[0038]步骤201)、计算耳机对耳道的反射系数；
[0039]步骤202)、将人体的外耳道模拟为具有一定长度和截面函数的多个声管的组合， 并计算各个声管边界处的反射系数；
[0040]步骤203)、计算人体鼓膜处的反射系数；
[0041]步骤204)、测量耳机输入电信号至封闭外耳道口声压的传递函数；
[0042]步骤205)、计算耳机对耳道的输入阻抗；
[0043]步骤206)、由步骤201)得到的耳机对耳道的反射系数、步骤202)得到的各个模拟 声管边界处的反射系数W及步骤203)得到的人体鼓膜处的反射系数，步骤204)得到的耳 机输入电信号至封闭外耳道口声压的传递函数，步骤205)得到的耳机对耳道的输入阻抗， 得到耳机输入电信号与听音者鼓膜在原声场接收的声压信号之间的传递函数。
[0044] 上述技术方案中，在步骤201)中，耳机对耳道的反射系数rph与耳机结构形状及外 耳大小有关，其大小通过测量得到。
[0045] 上述技术方案中，在步骤204)中，所述耳机输入电信号至封闭外耳道口声压的传 递函数G的表达式如下：
[0047] 其中，Pm为封闭外耳道口声压，V表示耳机输入信号。
[0048] 上述技术方案中，在步骤205)中，耳机对耳道的输入阻抗用Zui表示，其通过耳机 对耳道的反射系数rph计算得到：
[0050] 其中，Si为耳道口处声管的截面积，PC为空气的特性声阻抗。
[0051] 上述技术方案中，在步骤206)中，听音者鼓膜在原声场接收的声压信号Ppdi与耳 机输入电信号V之间的传递函数的表达式如下：<