[译文]JOAL教程 第七课 多普勒效应

[译文]JOAL教程

原文地址：http://jogamp.org/joal-demos/www/devmaster/lesson7.html

原文作者：Athomas Goldberg

译文：三向板砖

转载请保留以上信息。

本节课程对应的学习笔记：http://blog.csdn.net/shuzhe66/article/details/40393371

第七课多普勒效应

 

本文是DevMaster.net(http://devmaster.net/)的OpenAL教程对应的JOAL版本。C语言版原文作者为JesseMaurais

真实世界当中的声学

我知道，让大家复习高中学习的物理知识是非常无聊的，但还是迁就一下吧。多普勒效应对于某些人来讲是一个非常复杂的概念，但它确实是一个合乎逻辑的过程，当你深究下去后会觉得里面有些内容很有意思。为了理解多普勒效应，我们首先需要正确的理解“声音”到底是什么。大体上讲，声音是你的大脑对空气中传过来的压缩波所进行的解释。当空气受到扰动时会从扰动点开始产生压缩空气分子的球状波动，并从产生点向外扩散。考虑下面的图：

                                                                                                                     

左图中红色的大写S表示声源位置，红色大写的L代表着你（你已经猜到了），也就是听众的位置。声源与听众都未移动。声源向外不断发射着压缩波，它由蓝色圆圈表示。听众正准确的听到声源所产生的声音，就像图中这样。由于没有移动，多普勒效应并没有出现在这个例子中，它仅仅会在由于运动而造成声波变形的情况下发生。

这里你可以将图片想象成一个动画，声源不断产生声波（也就是圆圈），并随后由产生点沿半径方向向外扩散。池塘里德涟漪是一个与之相似的好例子。当你向平静的水体投入一枚石子后，它会由落点向外发射一些波纹。无论你信不信，水波与声波确实具有相同的物理性质。但这与多普勒效应有什么关系呢？

请看右图：哦，这里发生了什么？声源开始移动了，这里由红色的箭头来表示。实际上声源正以一定的速度向听众移动。特别注意一下，新产生的波在之前波的内部移动，方向与产生它们的声源运动路径相同。这是多普勒效应的关键。本质上讲，这里发生的事情就是声源在其运动路径上发出多个波，但波自身不会随着声源移动，而是从发出点开始向外扩散运动。

那么，这个效应是如何影响到听众的听觉呢？再来看一下上面的图，处于声源与听众间的声波被某种程度地压缩了，这将使其一起到来而且听上去就像播放的更快了。这里讨论的是声音的频率，声波间的距离影响着声音的频率。当产生声音的声源处于移动当中时，会造成频率的改变。你还会发现在空间中的不同点声波间的距离也不同。例如，在声源运动的反方向（之前运动的轨迹）声波间的距离变得更广了，这将导致频率的降低（距离与频率成反比）。这意味着，听众实际听到的频率取决于其具体位置。

听众的运动同样会影响到频率，但这样的场景太难想象了。如果声源不动而听众向其移动，那么听众听到的实际频率与刚才讨论的声源移动例子结果相同。

如果这些让你感到困惑，不妨看看下面两幅图：

                                                  

这两幅图以正弦波的形式表现出两个不同的声音。先来看第一个，将它的波峰想象成声音实例。波形的最高点对应于之前两图中的蓝色圆圈，波谷则对应于蓝色圆圈之间的距离。第二个图代表了压缩波。当你比较两图时可以发现明显的不同。在相同大小的空间中，第二幅图显然容纳了更多的波。换种说法，它们出现的更多，更具规律性，而且更加频繁。
给想知道更多的人的一点附加信息：波速代表着声音的速度。如果声源速度大于波速，它将突破音障。

OpenAL中的声学

好了，现在你已经理解了上面那篇关于多普勒效应的长篇大论，或者你跳过了它，已经完全理解多普勒效应而仅仅想知道它是如何对OpenAl渲染管线起到作用的。我认为开始这一部分的最好方式是直接引用OpenAL文档中的话：

                                     “多普勒效应的影响取与决介质中声源与听众的的速度，以及声音在介质中的对应传播速度” ——第三章第七节。

我们可以把它理解为有三种因素决定了听众最终听到的声源频率。它们是声源速度、听众速度以及定义好了的波速。当我们提及“介质”时，是指听众与声源同时“处在”的材料。举例来讲，水中的声音与空气中的声音听上去差异很大。空气与水就是不同介质的典型代表。声音听起来如此不同的原因在于不同介质的分子密度不同。就像我们之前所说的，声音仅仅是空气中分子的运动。分子密度高的介质其声音出现明显不同，原因在于其分子间的接触更为紧密，而这，将使声音的传播更加容易。另一个相反的例子，想象一下太空，这里的分子密度极低，实际上只有零零散散的分子（主要是氢），这就解释了太空中无法听见声音这一现象。

好了，回到我们的话题，OpenAL从本源上帮助我们计算多普勒效应，所以我们仅需提供一些参数来影响计算结果即可。这里我们所做的也许并不是逼真的渲染，而是希望扩大或缩小多普勒效应所带来的影响。计算公式是这样的：

      shift = DOPPLER_FACTOR * freq * (DOPPLER_VELOCITY - l.velocity) / (DOPPLER_VELOCITY + s.velocity)

使用大写字母表示常数。“l”与“s”表示听终于声源。“freq”表示未发生频移的波，而“shift”表示频移后的波。术语“频移”恰当的关联了改变的频率，我们从现在开始将使用它。最终频率的改变将会由OpenAL采样并应用到所有受影响的音频流中。

我们早已学会使用‘AL_VELOCITY’作为‘alListenerfv’及‘alSourcefv’函数的参数来定义声源与听众的速度，当加载文件时‘freq’参数由缓冲区属性直接获得。一下函数则用来设置上面公式的常量：

public void alDopplerFactor(float factor);
public void alDopplerVelocity(float velocity);

对于‘alDopplerFactor’函数来讲，任何非负数都被接受。送入任何负数将导致错误标记置为‘AL_INVALID_VALUE’并忽略操作。0是一个合法的参数，这样将会关闭多普勒效应并可能带来性能的提升（但并不怎么理想）。多普勒因子对等式带来的直接影响非常大，1.0并不会改变等式，0到1的数值将会降低多普勒效应所带来的影响，而大于1的任何数将会扩大影响。


对于‘alDopplerVelocity’来讲，任何正数将被接受。送入0或负数均会导致错误标记置为‘AL_INVALID_VALUE’并忽略操作。多普勒速度从本质上将应该是声音的速度，这一参数好比设定声音在介质中的速度。OpenAL并没有介质的概念，但这个参数将给出与介质相同的影响。OpenAL中同样没有单位的概念（公里、英里、秒差距[长度单位，约和3.26光年——译注]等），所以请记住设置的这些常数与你之前在应用中定义的长度单位相关。