自动化扬声器三维指向性测试 - Audiomatica Srl

自 动动 化 扬 声 器 三 维 指 向 性 测 试
M. Bigi, M.Jacchia, D. Ponteggia - Audiomatica
电 声 技 术 国 际 研 讨 会
深 圳
2009 年 11 月 11 日

• 引 言
– 为 什 么 进 行 三 维 测 试 ?
– 坐 标 系
概 要
• 扬 声 器 球 面 空 间 指 向 性 测 试
• 空 间 采 样 技 术
– 环 境
– 旋 转 , 定 位
– 数 据 处 理
– 命 名 规 则则
• 数 据 的 后 处 理
– 导 出出 标 准 格 式
• 结 论
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引 言
• 指 向 性 测 试 功 能 应 用 于 ( 应 用 场 合 ):
– 实 验 室 应 用 :
• 设 计 和 验 证
• 模 拟 软 件 设 计 的 输 入
• 技 术 文 档
– 大 众 化 应 用 :
• 数 据 表 单 和 目 录
• 技 术 刊刊 物
• 商 用 模 拟 软 件 的 建 模 (EASE, CLF, ...)
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扬 声 器 声 辐 射 模 型
• 如 果 在 空 间 S 环 境 中 , 每 一 点 的 传 递 函函 数 ( 线 性 模 型 )
是 已 知 的 , 那 么 一 个 电 声 源 可 被 模 拟 成 一 个 电 气气 输 入
多 个 SPL 输 出出 的 系 统 。
输 OUT 出出
输
入
IN
S
为 了 建 立 该 系 统 的 模 型 , 必 须 对 S 空 间 的 频 率 响 应 进 行
采 样 。
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点 声 源 模 型
• 如 果 声 源 能 被 模 拟 成 ” 点 声 源 “, 则则 能 够 采 集 以 声 源 位 置 为 中 心
的 球 面 范 围 的 频 率 响 应 。
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• 如 何 在 球 面 采 样 ?
如 何 采 样 ?
– 哪 个 球 面 坐 标 系 ?
– 多 少 “ 子 午 线 ”(aka 指 向 性 )?
• 常 规 采 样 还 是 灵 活 采 样 ?
– 如 果 常 规 采 样 , 采 用 哪 一 分 辨 率 ?
– 在 声 能 含 量 高 的 情 况 下 , 看 来 也 可 采 用 较 精 细 分 辨 率 ( 在 声
能 含 量 低 的 情 况 下 , 即 背 面 发 射 , 也 可 以 是 粗 燥 分 辨 率 )
– 球 面 调 和 函函 数 ?
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球 面 坐 标 系
摘摘 自 发 表 于 MathWorld( 网 上 数 学 参 考 资 料 中 心 ) 的 “ 球 面 坐 标 系 ” 一 文 ,
作 者 Weisstein, Eric W.
http://mathworld.wolfram.com/SphericalCoordinates.html
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球 面 坐 标 系
• 我 们 采 用 该 球 面 坐 标 系 :
y
r
φ
z
θ
x
可 以 考 虑 声 源 轴 线 方 向 指 向 北 极 。 这 样 , 极 线 ( 子 午 线 ) 有 效 地 通 过 两
极 。
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AES56
• 最 近 出出 版 了 AES 标 准 AES56-2008:“AES 声 学 标 准 - 声 源 的
建 模 - 扬 声 器 指 向 辐 射 测 量 ”
• 该 标 准 采 用 了 IR 纵 列列 集 ( 至 少 8000 个 点 ), 二 个 旋 转 轴 分 辨 率
都 是 都 是 5 度 。
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最 简 单 的 方 法 H+V
• 简 单 、 快 速
y
VERTICAL 垂 直 H
水水 平 V
HORIZONTAL
z
x
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最 简 单 的 方 法 : H+VH
• 角 度 分 辨 率 已 设 定 的 情 况 下 , 仅 对 二 个 极 线 上
的 频 率 响 应 的 进 行 采 样 : 水水 平 和 垂 直 极 线
– theta ( 极 线 角 度 ) 分 辨 率 通 常 为 5 度
– phi 分 辨 率 为 90 度
• 然 后 , 对 丢 失 的 极 线 进 行 数 学 插插 值 运 算
– 如 何 插插 值 ?
• 椭 圆 曲 线 插插 值
• 球 面 形 状 的 光 滑 性
– 插插 值 是 否 有 意 义 ?
• 仅 在 非 常 简 单 的 情 况 下
• 仅 对 幅 值 数 据 AFAIK 有 效
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插插 值 ?
• 针 对 H+V, 有 一 些 计 算 插插 值 的 公 式 , 比 如 EASE 采 用 以 下 公 式 插插
入 幅 值 数 据 ( 第 一 象 限 ):
L
2
2
( ϕ,
θ ) = L(0,
θ ) ⋅cos(
ϕ)
+ L(90,
θ ) ⋅sen(
ϕ)
• 数 据 内 插插 的 相 关 误 差 很 难 预 计
• 不 可 能 插插 入 相 位 数 据
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插插 值 ?
整 球 数 据 5°
衰 衰 (dB)
theta
phi
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插插 值 ?
H+V 插插 值
衰 衰 [dB
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插插 值 ?
整 球 数 据 5°
衰 衰 [dB
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插插 值 ?
H+V 插插 值
衰 衰 [dB
插插 值 误 差 , 能 接 受 吗 ?
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H+V 方 法 为 什 么 简 单 ?
• 测 量 的 建 立 包 括 一 台 PC 控 制制 的 转 台
– PC 控 制制 非 常 基 本 , 只 是 将 脉 冲 发 送 到到 转 台
• 扬 声 器 可 方 便 地 以 垂 直 和 水水 平 位 置 置 放 于 转 台 , 只 需 对 二 个 极 线
部 分 进 行 采 样
• 对 于 常 规 的 5 度 采 样 角 度 , 只 需 要 144 个 点 ,10 分 钟 不 到到 即 可 完
成 整 个 过 程
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增 加 复 杂 度
• 如 果 我 们 想 要 收 集 其 它 极
线 上 的 数 据 , 一 个 转 台 是
不 够 的 , 因 为 我 们 需 要 将
扬 声 器 沿沿 着 另 一 条 轴 线 旋
转
y
• 事 实 上 , 这 正 是 我 们 在 H
+V 方 法 中 所 采 用 的 , 将
扬 声 器 置 于 转 台 的 二 个 位
置 上
• 通 过 采 用 第 二 个 转 台 , 或
手 动动 旋 转 该 器 件 , 可 以 实
现 第 二 旋 转 轴 线
z
azimuth 方 方
polar
极 线
x
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复 杂 设 置 实 例
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简 单 设 置 实 例
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完 全 三 维 – 不 同 方 法
• 除 了 2 个 转 台 设 置 以 外 , 还 有 必 要 提提 一 下 其 它 方 法 :
– 话 筒 的 弧 度 和 多 通 道 数 据 采 集
• 非 常 快 速
• 复 杂
• 需 要 无 回 响 室
• 角 度 分 辨 率 固 定
– 旋 转 话 筒
• 不 够 快 速
• 在 非 消 音 空 间 内 测 试 有 些 复 杂
• 话 筒 吊 杆 长 臂 有 机 械 振 动动
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我 们 的 方 法 有 多 复 杂 ?
• 采 用 二 个 旋 转 轴 , 可 以 对 扬 声 器 环 绕 球 面 上 每 一 个 点 的 响 应 进 行
采 样
• 在 极 线 上 进 行 常 规 采 样 让 我 们 能 够 对 theta 和 phi 角 度 选 择 二 种 不
同 的 解 决 方 案
– 比 如 , 可 以 在 theta 为 5 度 、phi 为 30 度 进 行 采 样
– theta 和 phi 选 用 相 同 分 辨 率 是 否 更 好 ?
– AES 标 准 建 议 二 个 角 度 都 采 用 5 度 分 辨 率
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又 是 插插 值 ?
• 这 里 必 须 指 出出 , 在 建 模 过 程 中 在 某 些 点 上 , 必 须 进 行 某 种 程 度 的
插插 值 运 算 。
• 可 以 用 不 同 的 方 法 。
• 如 果 在 一 个 给 定 编 号 的 空 间 点 上 的 声 源 响 应 是 已 知 的 , 那 么 :
– 根 据 测 试 过 程 , 我 们 需 要 确 定 哪 个 是 正 确 的 采 样 角 度
– 这 里 可 以 按 照 建 议 采 用 5 度 角 度 , 让 插插 值 问 题 留 给 测 得 数 据 的 用 户 去 处 理 ( 用
模 拟 软 件 )
– 根 据 Ahnert 和 Feistel 的 观 点 , 角 度 分 辨 率 与 模 拟 精 度 有 关 , 在 分 辨 率 已 知 的
情 况 下 , 模 拟 误 差 限 定 在 低 于 某 一 频 率 的 范 围 ( 见 “ 相 位 数 据 对 组 合 声 源 音
质 预 测 的 重 要 性 ”, 公 布 于 第 6632 号 AES 预 印 本 )。
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全 三 维
• 复 杂 , 慢 速
y
x
z
• 在 最 糟 的 情 况 下 ( 非 对 称 ), 在 5 度 分 辨 率 , 需 要 测 试
2664 个 脉 冲 响 应
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实 际 考 虑
• 必 须 在 三 维 空 间 在 5 度 分 辨 率 进 行 “ 高 清 晰 ” 指 向 性 测 试 , 对 于
这 一 点 我 们 非 常 有 把 握握 。
• 开 始 测 试 之 前前 , 仍 然 必 须 考 虑 几几 个 实 际 问 题 :
– 声 源 至 话 筒 的 距 离
– 消 音 还 是 非 消 音 空 间 ( 与 距 离 密 切 相 关 )?
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声 源 至 话 筒 的 距 离
• 据 我 们 所 知 , 为 了 测 量 远 场 响 应 , 距 离 必 须 足
够 远 。 阵 列列 扬 声 器 常 用 距 离 为 4 至 8 米 。
• 由 于 我 们 将 声 源 建 成 一 个 点 模 型 , 声 源 围 绕 旋
转 的 中 心 点 可 能 与 “ 声 中 心 ” 不 重 合 , 因 此 较
長 距 离 还 可 降 低 与 峰 值 有 关 的 误 差 。
• 这 可 导 致 测 量 距 离 长 达 6 至 8 米 。
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消 音 还 是 非 消 音 环 境 ?
• 理 论 上 , 大 的 无 回 响 室 是 解 决 方 案 。
但 是 , 在 一 般 面 积 的 无 回 响 室 中 , 很 难 达 到到 大
于 4 米 的 距 离 。
• 而 且 测 试 建 立 工 作 很 繁 重 , 需 要 非 常 稳 定 , 这
在 缆 线 连 接 层 面 很 难 达 到到 。
• 解 决 方 案 是 采 用 半 消 音 室 或 低 混 响 空 间 ( 混 响
足 够 低 的 大 空 间 )
• 非 消 音 或 半 消 音 室 可 大 大 削削 减 成 本
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請 不 要 在 户 外 测 试 !
• 人 们 很 容 易 会 想 到到 在 户 外 进 行 指 向 性 测 试 , 但 是 户 外 环 境 缺 乏 控
制制 手 段 , 加 上 测 试 过 程 所 需 时 间 長 , 可 导 致 的 误 差 非 常 大 !
• 撇撇 开 风 和 噪 音 的 影 响 不 说 , 温 度 变 化 就 会 造 成 相 位 偏 移 :
相 位 偏 移 ( 相 对 20℃- 干 燥 空 气气 )
相
位
偏
移
(
度
)
6 米 距 离
频 率 10kHz
温 度 [℃]
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非 消 音 或 半 消 音 测 试 环 境
• 对 于 非 消 音 环 境 , 要 考 虑 二 个 问 题 :
– 反 射 ( 可 通 过 瞬 时 脉 冲 窗 口 技 术 消 除 )
– 混 响 ( 可 造 成 不 同 测 量 之 间 的 时 间 失 真 )
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控 制制 反 射
• 可 用 时 间 开 窗 技 术 解 决 房 间 反 射 问 题
– 至 少 在 T=1/f 的 时 间 段 IR 必 须 无 反 射 , 其 中 ,f 是 待 测 最 低 频 率
– 为 此 , 声 源 必 须 离 反 射 界 面 足 够 远 , 否 则则 反 射 界 面 必 须 处 理 成 吸 音
面 ( 在 该 频 率 范 围 )
• 参 见 “ 模 拟 自 由 场 测 试 ”,, 作 者 :C.Struck, S.Temme, 音 频 技
术 协 会 会 刊刊 , 第 42 卷 第 6 册 ,1994 年 6 月
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房 间 反 射
ceiling
reflection
R
S
direct path source wall
receiver wall
reflection
lateral
reflection
reflection
h
floor
reflection
W
d r
d
d s
D
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H
给 出出 待 测 最 低 频 率 , 则则
可 计 算 出出 所 需 房 间 尺 寸

房 间 反 射
0.20
Pa
Audiomatica Srl LogChirp - Impulse Response 9-20-2008 12.59.27 PM
直 达 声
CLIO
0.12
反 射
0.040
-0.040
-0.12
-0.20
0 2.5 4.9 7.4 9.9 12 15 17 20 ms 22 25
CH A dBSPL Unsmoothed 48kHz 4K Rectangular Start 0.00ms Stop 8.63ms FreqLO 115.94Hz Length 8.62ms
File: hidriver 0 0.mls
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控 制制 混 响
• 混 响 时 间 可 造 成 不 同 测 试 之 间 的 时 间 失 真
• 在 进 行 另 一 个 测 试 之 前前 , 必 须 让 声 能 衰 减 到到 足 够 弱
• 至 少 在 我 们 测 试 的 频 率 范 围 ,RT60 必 须 很 低
• 无 回 响 室 是 最 理 想 选 择 , 但 是 所 谓 “ 低 混 响 室 ” 也 可 达
到到 好 的 效 果
• 出出 于 重 量 和 尺 寸 考 虑 , 最 佳 选 择 看 来 是 半 消 音 室 , 地
面 安 置 楔 型 吸 音 装 置
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低 混 响 室
低 成 本 处 理 方 法
用 厚 的 帷 幔 挂 在 墙 上
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测 试 自 动动 化
• 如 要 进 行 一 组 三 维 测 试 , 测 试 过 程 必 须 自 动动 化
• 选 用 市 场 上 新 型 转 台 是 最 佳 选 择 , 因 为 用 一 台 PC 很 容 易 连 接 并 控
制制 这 类 转 台
• 测 试 系 统 必 须 具 备 的 的 主 要 特 性 :
– 可 旋 转 控 制制
– 三 维 自 动动 保 存 处 理
– 三 维 分 析 工 具
– 导 出出 不 同 格 式 的 数 据
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转 台 控 制制
• 这 里 我 们 用 一 个 简 要 的 实 例 说 明 测 量
软 件 所 需 特 性
– 为 了 在 设 置 测 试 过 程 之 前前 旋 转 转 台 ,
转 台 必 须 能 操操 纵
– 需 要 自 动动 化 测 试 过 程 , 能 方 便 地 启 动动
、 停 止 和 继 续
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转 台 的 选 用
• 这 是 一 个 用 软 件 对 极 线 (1) 和 方
位 (2) 轴 转 台 进 行 通 信 设 置 的 实
例
• 转 台 1 的 选 用 :
– Outline ET250-3D
– LinearX LT360
– TTL 脉 冲 ( 传 统 模 式 *)
• 转 台 2 选 用 :
– Outline ET250-3D
– LinearX LT360
– 手 动动
* 如 果 PC 没没 有 配 备 并 行 端 口 , 则则 可 以 采 用 CLIO QC BOX 型 号 V 的 功 能 产 生 脉 冲 ( 即 驱 动动
没没 有 并 行 端 口 的 老 式 Outline ET2 的 方 法 )
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自 动动 保 存 测 试
• 该 软 件 允 许 二 种 自 动动 保 存 方 式 :
– 一 维 : 基 本 上 是 老 的 CLIO 方 法 , 作 为 传 统 模 式 使 用
– 三 维 : 能 够 用 二 个 转 台 进 行 单 极 或 整 个 球 面 测 试
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自 动动 保 存 命 名 规 则则
y
r
z
x
< 文 件 名 > .mls
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自 动动 保 存 命 名 规 则则
• 极 线 和 方 位 角 度 的 分 辨 率 是 独 立 的
– 5 度 分 辨 率 情 况 下 仅 水水 平 和 垂 直 极 线 的 实 例 :
• Phi 分 辨 率 = 90
• Theta 分 辨 率 = 5
– 每 15 度 和 5 度 分 辨 率 的 情 况 下 极 线 的 实 例 :
• phi 分 辨 率 = 15
• Theta 分 辨 率 = 5 度
• SmartScan 算 法 在 极 线 角 度 来 回 扫 描 , 降 低 了 指
向 性 数 据 组 的 测 试 时 间 , 避 免 了 线 缆 问 题
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测 量 自 动动 化
• 一 旦 连 接 好 转 台 , 自 动动 保 存 设 置 完 毕 … 则则 只 需 按 GO, 然 后 等 待 …
• 然 后 软 件 负 责 控 制制 转 台 , 获 得 测 量 数 据 , 保 存 具 有 命 名 配 置 的 文
档
• 还 可 以 暂 停 测 量 过 程 , 以 后 再 继 续
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运 行 测 试 程 序 之 前前 !
• 为 了 避 免 不 需 要 的 反 射 , 必 须 建 立 时 间 窗 , 实
现 方 法 是 , 在 轴 线 上 进 行 mls 测 量 , 并 仔 细 地
设 置 顶 部 窗 口 。
• 在 理 论 上 , 可 以 在 收 集 测 试 数 据 之 后 应 用 开 窗
技 术 , 但 是 为 了 防 止 分 析 期 间 对 大 量 响 应 进 行
重 新 处 理 , 必 须 预 先 建 立 窗 口 。
• 保 存 测 量 数 据 的 磁 盘 必 须 有 足 够 的 磁 盘 空 间 ...
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数 据 组 尺 寸
• 数 据 组 的 大 小 取 决 于 MSL 的 大 小 以 及 待 测 数 据 的 数 量 :
数
字
组
[MB]
对 称
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MLS 的 大 小
M
L
S
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按 GO! … 然 后 等 待 ...
• 测 量 时 间 取 决 于 许 多 因 素 。 这 里 汇汇 报 用 二 台 Outline 转 台 的 实 例
:
测
试
时
间
时
分
秒
[ : :
]
对 称
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MLS 的 大 小
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分 析 工 具
• 一 旦 冗 长 的 测 试 过 程 结 束 , 就 需 要 使 数 据 可 视 化 。
• 从 测 试 角 度 考 虑 , 有 一 个 基 本 工 具 , 用 于 检 查 三 维 测 试 值 能 否 形
成 有 意 义 的 结 果 , 这 就 足 够 了 。
• 用 Matlab 或 Scilab 数 学 工 具 可 进 行 非 常 复 杂 的 分 析
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分 析 工 具
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导 出出 数 据
• 一 些 途 径 可 以 使 用 测 得 的 数 据 组 。 有 些 应 用 在
三 维 分 析 菜 单 中 实 现 :
– 导 出出 .xhn EASE ( 仅 幅 值 ) *
– 导 出出 CLF v2 .tab *
– 导 出出 随 时 间 的 响 应 数 据 .txt 文 档 ( 待 用 EASE
SpeakerLab 导 入 )
• 还 可 以 将 数 据 组 导 入 到到 Matlab 或 Scilab, 在
这 二 个 软 件 中 , 有 无 数 数 据 处 理 和 可 视 化 选 择
。
* 需 要 进 行 phi 和 theta 角 度 均 为 5 度 的 常 规 采 样
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三 维 指 向 性 数 据 的 应 用
• 用 MATLAB 或 Scilab 进 行 可 视 化 处 理 和 数 据 后 处 理 , 供 研 发 之 用
。
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• CLF 扬 声 器 模 型 的 创创 建 :
三 维 指 向 性 数 据 的 应 用
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三 维 指 向 性 数 据 的 应 用
• EASE SpeakerLab 能 够 以 .txt 格 式 导 入 CLIO 时 间 数 据 ,CLIO
导 出出 程 序 以 SpeakerLab 请 求求 的 文 件 名 规 定 文 件 格 式 。
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三 维 指 向 性 数 据 应 用
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三 维 指 向 性 数 据 应 用
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将 来 ?
• 出出 于 数 据 实 际 尺 寸 的 考 虑 , 常 规 角 度 采 样 不 允 许 增 加 分 辨 率
• 必 要 时 采 用 较 为 精 细 的 分 辨 率 看 来 是 合 理 的 , 但 是 目 前前 还 没没 有 非
常 规 采 样 算 法
• 球 面 调 和 函函 数 的 分 解 看 来 可 应 用 于 三 维 指 向 性 数 据 的 陈 述
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结 论
• 扬 声 器 三 维 指 向 性 响 应 的 测 量 是 一 个 重 要 特 性
• 建 立 必 须 易 于 操操 作 , 可 在 非 消 音 室 的 空 间 进 行 测 试
• 根 据 一 个 测 得 的 数 据 组 , 可 以 创创 建 EASE 和 CLF 模 型 、 技 术 文 档 以
及 极 性 图
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