3D 耳机 Sfera：多声道声音

Sphere 3D 耳机：紧凑型多声道沉浸式音频建模

Sphere 3D 驱动单元耳机系统模拟环绕声和沉浸式音频格式中的声源定位。该系统采用多个驱动单元围绕耳朵呈球形布局，直接产生双耳ILD和ITD效果，无需数字处理。这使得Dolby Digital、DTS 5.1/7.1、Atmos和DTS:X内容可直接播放，同时保留自然定位感。

空间音频中的双耳感知原理

空间音频由三个关键因素决定：传播介质、波束方向和双耳线索。双耳听觉依赖于：

• 耳间电平差 (ILD)：头部和耳朵绕射导致的频谱变化。
• 耳间时间差 (ITD)：两耳间的时延差异。

定位发生在水平、前方和垂直平面。低频响应（>200 Hz）方向变化小，而中高频则精确指示位置。声学阴影增强后方声道ILD，中频在此被衰减。

HRTF（头相关传输函数）捕捉这些效果。对于多声道系统，HRTF在消声室中使用假人头模型（如KEMAR或B1-E）测量，麦克风置于耳道入口。

多声道音频格式

多声道扬声器系统分为两类：

• 环绕声（Dolby Digital、DTS 5.1/7.1）：扬声器位于水平面——前立体声对（0°/30°）、中置（0°）、侧围（90°/270°）、后置（110°/250°）和低音炮。

• 沉浸式音频（Dolby Atmos、DTS:X）：增加上半球（仰角30°–45°）。Sphere进一步扩展至下半球，实现全覆盖。

| 格式 | 声道数 | 半球覆盖 |

|--------|--------|--------------|

| 5.1 | 6 | 水平 |

| 7.1 | 8 | 水平 |

| Atmos | 最多128| 上半球 + 水平|

| Sphere | 12+ | 全球形 |

数字HRTF建模用于转换

将多声道信号转换为双耳信号时，相位-幅度矩阵和FIR/IIR滤波器模拟每个声道的HRTF。测量在自由场环境中进行：监听器模拟声源，假人头捕捉直接和阴影频率响应。

Fletcher-Munson曲线显示感知随声压级（SPL）变化，从而影响不同音量下的HRTF。系数加载至DSP处理器。Sphere则通过物理驱动单元定位模拟外部扬声器，绕过此过程。

Sphere 3D 耳机设计

系统在耳朵周围设有声学腔体，开放式壁面并使用毛毡阻尼抑制共振。驱动单元（40–50 mm 长冲程单元）呈球形排列：

• 前/中置：0°–30°。
• 侧围：±90°。
• 后置：±110°–250°。
• 上下：±45° 垂直。

硅胶耳垫将耳朵完全浸入腔体。对于沉浸式格式，腔体扩展同时保持舒适。原型采用JBL Quantum 100驱动单元，针对耳朵距离优化。

环绕声（7.1）腔体示意图：


沉浸式示意图：


多驱动耳机对比立体声

立体声耳机因缺少ILD/ITD而产生“头内效应”。Sphere的多驱动单元：

• 提供物理波在耳朵几何形状上的绕射。
• 支持原生多声道流，无需解码。
• 增强所有平面的定位感。

原型频率响应测试显示平坦曲线，无峰值，可媲美外部扬声器。

关键要点

• Sphere模拟全球形驱动单元阵列，包括下半球，实现真正3D音频。
• 无DSP依赖：声音通过声学方式塑造，最小化延迟。
• 兼容5.1/7.1/Atmos，无需重新编码。
• HRTF随SPL变化，需要音量特定校准。
• 原型利用标准40 mm驱动单元，高可扩展性。

— Editorial Team