Mô hình hóa quá trình truyền âm thanh trong phòng thu sử dụng phương pháp nguồn ảnh

- ĐINH HUY CƯƠNG MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÂM THANH TRONG PHÒNG THU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGUỒN ẢNH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC VƯƠNG HOÀNG NAM Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
- 4 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CỦA MÔ HÌNH VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
- 7 1.1 Tổng quan về mô hình.
- 7 1.2 Mục đích của phần mềm Mô Phỏng Phòng Thu Âm.
- 8 1.3 Lý thuyết đáp ứng xung của phòng thu.
- 9 1.3.1 Tổng quan.
- 9 1.3.2 Lý thuyết sóng.
- 11 1.3.3 Lý thuyết tính toán thời gian phản hồi RT60 tại các bề mặt phòng thu.
- 14 1.3.4 Mô hình nguồn ảnh tính toán đáp ứng xung phòng thu.
- 16 1.3.4.2 Tính toán đáp ứng xung bằng phương pháp nguồn ảnh.
- 21 1.4 Tín hiệu âm và một vài đặc tính âm thanh phòng thu.
- 26 CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ KẾ THỪA DỮ LIỆU.
- 27 2.1.Tổng quan các phương pháp đo đáp ứng xung phòng thu.
- 27 2.1.2 Phương pháp đo phổ trễ thời gian.
- 34 2 2.3 Lý thuyết HRTF ( Head – Related transfer Function.
- 42 2.4.2 Hệ thống xử lý âm thanh ( Binaural pathway.
- 43 2.4.4 Bộ tính năng nhận diện lỗi âm thanh (Missing feature speech recogniser.
- 46 CHƯƠNG 3 : CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.
- 69 3.3 MENU : Các tiện ích hiển thị phòng thu.
- 78 Phụ lục A : Các thông số mô phỏng.
- 79 3 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký tự viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DSP Digital Signal Srocessing Xử lý tín hiệu số ISM Image-Source Method Mô hình nguồn ảnh ITD Interaural time difference Khác biệt thời gian nội tại ILD Interaural level difference Khác biệt mức độ nội tại HRIR Head Related Impulse Response Tương quan đáp ứng xung và đầu người HRRIR Head-related room impulse response Tương quan đáp ứng xung và đầu người HRTF Head Related Transfer Function Hàm truyền đạt thính giác ASR Automatic speech recognition Nhận diện giọng nói tự động SNR Signal-to-noise ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu RT Reverberation time Thời gian phản hồi IR Impulse response Đáp ứng xung MLS Maximum Length Sequence Chuỗi chiều dài tối đa FFT Fast Fourier Tranform Biến đổi Fourier nhanh TF Tranfer Function Hàm truyền đạt DFT Descrete Fourier Tranform Biến đổi Fourier rời rạc FIR Finite impulse response Bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn IIR Infinite impulse response Bộ lọc đáp ứng xung vô hạn 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.
- 1 Mô hình tuyến tính của âm thanh trong phòng thu.
- 2 Mô hình truyền âm thanh.
- 3 Đáp ứng xung âm thanh trong phòng ở miền thời gian.
- 4 Mô hình nguồn ảnh.
- 5 Các bước thực hiện mô hình nguồn ảnh.
- 6 Đáp ứng xung phòng với các thành phần cụ thể.
- 8 Cách tiếp nhận âm thanh ở người.
- 1 Thực hiện bộ tạo tín hiệu MLS 4bit.
- 2 Mô hình đo MLS.
- 1 Mô hình phòng thu âm.
- 2 Mối quan hệ giữa hệ số hấp thụ và tần số của âm thanh.
- 3 Mối quan hệ thời gian phan hồi (RT60) và tần số (Hz.
- 4 Đáp ứng xung theo Thời gian(giây.
- 7 Hình ảnh 2 chiều của phòng thu và nguồn âm với vị trí,cường độ sáng.
- 8 Hình ảnh 3 chiều của phòng thu và nguồn âm với vị trí,cường độ sáng.
- 10 Các tiện ích hiển thị phòng thu.
- 11 Mô hình cường độ âm thanh.
- 12 Hình ảnh 3 chiều phòng thu.
- 13 Hình ảnh 3 chiều phòng thu.
- 74 5 MỞ ĐẦU Trước những yêu cầu đặt ra về nghiên cứu âm thanh và ứng dụng của nó vào thực tế, cũng như đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng âm thanh trong các phòng thu âm.
- Đi cùng với nó là việc phục vụ những yêu cầu trong thiết kế và chọn lựa các dụng cụ âm thanh một cách tốt nhất.
- Trong một thời gian dài tìm hiểu và nghiên cứu tôi đã nghiên cứu và phát triển một công cụ mô phỏng phòng thu âm dưới dạng hình hộp chữ nhật.
- Hiện nay các phòng thu âm mini trong các gia đình hay tổ chức có hình dạng và kích thước rất đa dạng theo yêu cầu riêng của từng người sử dụng cho các hoạt động ca nhạc khác nhau.
- Không những thế các ứng dụng âm thanh trong các phòng thu còn được sử dụng trong các doanh nghiệp, công ty sản xuất âm nhạc, trong các chương trình ca nhạc và đã trở thành phổ biến ở những buổi thuyết trình diễn ra trong phòng thu hoặc ngoài trời.
- Tuy nhiên do còn hạn chế về nhiều mặt nên trong luận văn này tôi đã tập trung vào giải quyết và xây dựng chương trình mô phỏng tín hiệu âm thanh trong một phòng thu âm hình hộp chữ nhật với 6 bề mặt phản xạ âm thanh.
- Luận văn của tôi được chia làm 3 phần chính: Chương 1: Tổng quan của mô hình và cơ sở lý thuyết Chương đầu tiên của luận văn, tôi sẽ giới thiệu một cách tổng quan về phần mềm mô phỏng, các phương pháp xây dựng chương trình, yêu cầu đặt ra với phần mềm.
- Đồng thời nội dung của chương này trình bày về các lý thuyết cơ bản về âm thanh bao gồm quá trình lan truyền âm thanh trong môi trường phòng thu, lý thuyết đáp ứng xung, thuật toán xác định tín hiệu âm và một vài đặc tính của âm thanh.
- Chương 2: Các phương pháp tính toán và xử lý kế thừa từ các cơ sở dữ liệu 6 Trong chương này sẽ trình bày về những lý thuyết được đưa ra từ các công trình nghiên cứu của các nghiên cứu sinh tại các phòng LAB trên thế giới.
- Những lý thuyết này được áp dụng để xây dựng các cơ sở dữ liệu phục vụ cho luận văn này.
- Chương trình mô phỏng Kết quả thu được từ phần mềm được thực hiện thông qua các bước cơ bản như nhập số liệu về phòng thu âm, các yêu cầu liên quan tới nguồn thu phát âm… Các biểu đồ sẽ được thu lại và hiển thị cho người dùng.
- 7 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CỦA MÔ HÌNH VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về mô hình Lý thuyết âm học và ứng dụng của nó đã được nghiên cứu trong một thời gian dài bởi các bác sĩ, kỹ sư, kiến trúc sư và nhiều người khác.
- Với sự hiểu biết đúng đắn về âm thanh, có thể dự đoán hành vi của âm thanh bên trong một căn phòng, cho phép tính toán đáp ứng xung của một nguồn âm thanh phát ra tại một nguồn âm.
- Đáp ứng xung được tính toán ở những môi trường có kích thước và vật liệu xây dựng khác nhau bằng cách sử dụng những lý thuyết kinh điển về xử lý tín hiệu số.
- Khả năng mô phỏng các tính chất âm thanh của một căn phòng cũng đặc biệt hữu ích cho các kiến trúc sư.
- Âm thanh của các tòa nhà hoặc các phòng sẽ được thiết kế và tính toán, do đó đặc tính âm thanh không mong muốn có thể được sửa chữa trước khi bắt đầu xây dựng.
- Kết quả của việc mô phỏng phòng âm thanh sẽ được áp dụng một cách rất phổ biến khi tiến hành xây dựng những phòng thu với các thiết bị âm thanh và các thiết bị video.
- Các hiệu ứng thiết lập hiện nay như bên trong các phòng họp, nhà hát, rạp chiếu phim hoặc phòng hòa nhạc được phổ biến với các đầu phát video hoặc các hệ thống âm thanh nổi.
- Các thiết lập hiệu ứng cho phép người dùng nghe được âm thanh hoặc âm nhạc thông qua thiết bị như thể họ đang nghe nó bên trong phòng quy định.
- Tuy nhiên, các hiệu ứng được tìm thấy trên các hệ thống này thường chung chung và thực hiện bằng cách cân bằng tần số và mô phỏng của một loạt các tiếng vang, với sự trễ thời gian lớn hơn giữa mỗi tiếng vang cho các phòng lớn hơn.
- Một hệ thống đo lường và mô phỏng phòng âm thanh có vô số các ứng dụng tiềm năng.
- Nó có thể được sử dụng cho việc tăng cường các âm thanh trong các lĩnh vực giải trí như âm nhạc, truyền hình và máy tính đa phương tiện.
- Hệ thống cũng có thể được điều chỉnh để đo lường phản ứng của một căn phòng hoặc các thiết bị điện, âm thanh như loa phóng thanh.
- Sau khi phân tích, những thiếu sót trong các phản ứng 8 đo có thể được bù lại bằng cách áp dụng một chức năng chuyển giao mới được tính toán để trước khi âm thanh được phát lại thông qua các loa phóng thanh hoặc vào phòng.
- Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng âm thanh ảo.
- Các phép đo tín hiệu đầu vào tại các vị trí khác nhau bên trong phòng bằng cách giả một đầu thu Microphone, và thực hiện tính toán dựa trên hàm HRTF.
- Sự mở rộng của âm thanh trong âm thanh ba chiều cũng có thể được tăng cường bằng cách áp dụng một phản ứng phòng đo kết hợp với HRTF cho kết quả tốt hơn… Chương trình là một phần mềm mô phỏng âm thanh bên trong một phòng lăng trụ hình chữ nhật đơn giản, được xây dựng trên nền của ngôn ngữ lập trình MATLAB.
- Bằng cách sử dụng mô hình nguồn - ảnh (image-source method) để tạo ra một đáp ứng xung từ mỗi nguồn đẳng hướng tới một hệ thống máy thu định hướng có thể là một cảm biến duy nhất, một cặp cảm biến… Thuật toán đã được sử dụng bao gồm tính toán các hệ số hấp thụ âm thanh phụ thuộc vào tần số.
- 1.2 Mục đích của phần mềm Mô Phỏng Phòng Thu Âm Mục tiêu cốt lõi của phần mềm là cung cấp một công cụ phát tín hiệu phục vụ cho việc nghiên cứu giọng nói và âm thanh.
- Phần mềm mô phỏng một phòng thu một cách trực quan, các tín hiệu âm thanh được biểu diễn dưới dạng các biểu đồ chuẩn để từ đó có thể giúp cho sinh viên có công cụ để thực hành các bài tập liên quan đến âm thanh, hiểu được bản chất, hành vi của tín hiệu…Bên cạnh đó thì phần mềm cũng đáp ứng được yêu cầu của các nhà nghiên cứu lấy phần mềm làm công cụ so sánh hữu ích khi tiến hành thực nghiệm xây dựng các thuật toán mới về xử lý tín hiệu.
- Thêm vào đó phần mềm cũng được thiết kế để đo và hiển thị các tín hiệu dưới dạng biểu đồ đáp ứng xung, đáp ứng tần số trong miền thời gian… 1.3 Lý thuyết đáp ứng xung của phòng thu 1.3.1 Tổng quan Mô tả vật lý cơ bản nhất đối với phòng âm học là đáp ứng xung giữa nguồn và vị trí của một máy thu trong phòng.
- Tất cả các thuộc tính của một phòng âm thanh, chẳng hạn như thời gian phản hồi, có thể được bắt nguồn từ đáp ứng xung này.
- 1 Mô hình tuyến tính của âm thanh trong phòng thu Ta coi một hệ thống tín hiệu trong phòng thu tổng quát bao gồm tín hiệu đầu vào (âm thanh) và tín hiệu đầu ra sau khi đi qua môi trường trong phòng như trên hình vẽ.
- Hàm truyền đạt của hệ thống này sẽ mô tả đẩy đủ bản chất và hành vi của âm thanh.
- Xuyên suốt luận văn này là việc tìm những phương pháp và thuật toán để xác định được hàm truyền đạt, cũng chính là đáp ứng tần số.
- Để xác định được đáp ứng tần số, trước hết ta xét về mặt lý thuyết âm thanh sẽ được truyền đi như thế nào.
- Sau những nghiên cứu của các nhà khoa học về tín hiệu âm thanh truyền đi trong môi trường kín ( phòng thu), ta có mô hình âm thanh được thể hiện như hình bên dưới : 10 Hình 1.
- 2 Mô hình truyền âm thanh Hình bên trên cho thấy làm thế nào âm thanh truyền để tới được người nghe bên trong một căn phòng.
- Khi một âm thanh lần đầu tiên được tạo ra, nó trước hết sẽ đi đến vị trí của người nghe thông qua các đường dẫn trực tiếp từ nguồn.
- Sau đó, cường độ âm thanh giảm xuống như một kết quả của sự phản xạ từ các bức tường và âm thanh trong phòng sẽ đi đến người nghe vào những thời điểm khác nhau sau âm thanh gốc.
- 3 Đáp ứng xung âm thanh trong phòng ở miền thời gian Hình trên đây biểu diễn miền thời gian của một phòng đáp ứng xung tùy ý như là một kết quả của quá trình truyền âm thanh vào trong một căn phòng như thể hiện trong hình trước đó.
- Sau khi âm thanh trực tiếp ban đầu tại thời điểm t0, âm thanh phản xạ xuất hiện tùy thuộc vào thời gian mà nó truyền đến người nghe.
- Sự suy 11 giảm của âm thanh trong mỗi phản xạ cũng khác nhau.
- Mức suy giảm của âm thanh phản xạ phụ thuộc vào các yếu tố như số lượng các phản xạ, và vật chất mà trên đó âm thanh được truyền đi.
- Vì vậy, tất cả các phòng khác nhau sẽ có một đáp ứng phòng khác nhau, và các phép đo được thực hiện tại các vị trí khác nhau trong cùng một phòng cũng sẽ mang lại kết quả khác nhau.
- 1.3.2 Lý thuyết sóng Để tính toán đáp ứng xung của phòng, trước hết ta cần xtôi xét tính chất sóng của âm thanh trong phòng thu.
- Âm thanh từ một nguồn S phát đi tới nguồn thu tạo ra áp lực âm thanh p(r,t).
- Hàm sóng tổng quát là hàm của áp lực âm thanh p(r,t) với r.
- x,y,z ] theo vị trí và thời gian : (1.1) Với.
- toán tử Laplace c – vận tốc âm thanh |p(r,t.
- poc2 trong đó po là mật độ sóng truyền ở trạng thái cân bằng Để tính toán đáp ứng xung trong phòng thu cụ thể ta phải thêm một hàm nguồn vào biểu thức (2.1) và cần có điều kiện biên để mô tả âm thanh phản xạ và hấp thụ ở tường.Gọi s(r,t) là hàm nguồn ta có phương trình sóng : (1.2) Chúng ta đưa phương trình sóng chuyển về miền tần số.Áp dụng biến đổi Fourier: P(r.
- Đối với một hàm nguồn tùy ý áp lực nguồn có thể tính toán dựa vào mối quan hệ sau : (1.7) Với là thể tích nguồn , và .
- Trong môi trường truyền âm phòng thu hoặc trong trường tự do, hàm Green của nguồn đẳng hướng có dạng như sau : (1.9) Trong đó.
- Khi đó phương trình (10) có thể viết lại : (1.11) Hàm có được giải thích bằng mô hình sóng đứng ba chiều với giá trị riêng tương ứng là.
- ta được đáp ứng xung của phòng thu.
- Như vậy để có thể tính toán được đáp ứng xung của phòng thu ta phải tính toán hàm Green với những điều kiện và các thông số đã nêu ở trên.
- 1.3.3 Lý thuyết tính toán thời gian phản hồi RT60 tại các bề mặt phòng thu Khi âm thanh truyền đi trong không khí, chúng sẽ phản xạ và một phần âm thanh được vọng lại gọi là âm vang.
- Âm vang là sự tồn tại của âm thanh trong một không gian đặc biệt sau khi âm thanh gốc được tạo ra.
- Thời gian của sự phân rã âm thanh (hoặc thời gian vang), nhận được sự quan tâm đặc biệt trong thiết kế kiến trúc của căn phòng lớn, mà cần phải có thời gian vang cụ thể để đạt được hiệu suất tối ưu cho hoạt động dự tính.
- Thời gian vang khoảng từ 50 đến 100 ms, khoảng cách giữa các tiếng vang từ 0,01-1 ms

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt