CN100452929C - 以回声抵消测量非消声室扬声器方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非消音室扬声器的测量方法，通过自适应的方法来模拟接收到的信号通过房间后的过程，将这个模拟输出信号与电声反馈信号相减，从而降低回声信号强度，其特点是在测量传声器之后加了一个自适应滤波器，测量系统送出的测量信号作为自适应滤波器的输入信号，解决非消声室内扬声器测量时房间反射声的干扰问题，提高扬声器频率响应测量时的频率分辨率。

Description

以回声抵消测量非消声室扬声器方法

技术领域

本发明属于电声学技术领域，确切地说是一种非消音室扬声器的测量方法，该方法采用自适应回声抵消的方式测量，能够解决房间反射声的干扰问题，提高扬声器频率相应时的频率分辨率。

背景技术

扬声器的测量方法主要有两种：消声室测量方法和非消声室测量方法。前者是在消声室环境中按照国标GB/T 9396-1996(扬声器主要性能测量方法)来测量，任何消声室都有一个低频下限(最好能做到60Hz)，在这个频率以下就不能保证对声波入射一次的99％的吸声系数，因此所能准确测量的频率下限也就是该频率。消声室测量方法的缺点就是测量时不方便，而且消声室的造价都很高，要做到很好地吸声，要求房间的容积比较大，吸声材料的造价也很高。

一般的非消声室模拟自由场(自由场是指声波在无限大空间里传播时，不存在任何反射体和反射面。声波在自由场或半自由场空间里传播满足(1)对点声源声压随距离衰减，这就是声能的反平方律(2)声压级在常温常压下等于声强级。)测量方法主要有以下几种方法：

(1)脉冲FFT技术；(2)时延谱技术(TDS)；(3)最长序列快速哈德曼变换技术(MLS-FHT)；(4)猝发声时选技术；(5)近区场测量。这些方法有一个共同点，即利用时间窗把反射声排除在时间窗之外，以实现只包含直达声响应的自由场测量。

由于存在房间反射声，此时作频谱分析时，就必须避开拾取信号中的房间反射声的成分，因此频谱分析所能用的时间窗就很小，时间窗的大小受反射声到达时间的限制，造成的结果就是无法准确分析扬声器的低频响应。一般大小的普通房间只能实现200Hz以上的模拟自由场测量，200Hz频率以下的测量必须有足够大的房间。

一般用于非消声室扬声器测量的原理方框图见图1所示。测量系统给出测试信号给被测扬声器，测量信号可以是脉冲串，也可以是扫频信号。经过被测扬声器重发和测量传声器拾取再回送给测量系统，通过分析拾取信号就可以得到被测扬声器得频率响应曲线。以脉冲测量方法为例，由于房间反射声的存在，测量传声器拾取的信号包含有了房间的反射声信号。这时候测量系统必须要避开这些有害信号，在做谱分析时候只能用较小的时间窗，也就是说必须把输入的信号截的很短，如图2所示。由谱分析理论可以知道，时间窗的大小τ(也就是谱分析时的输入信号的长度)直接影响到频谱的频率分辨率Δf，它们是倒数的关系，

Δf＝1/τ

使用的时间窗越小，Δf越大，频率分辨率越低，直接影响到低频频率响应的测量。举例来说，对于间隔1米测量距离地面1.5米放置的扬声器测量，直达声到达传声器需要3毫秒时间，为了使直达声响应稳定取为4.2毫秒，房间最近前期反射声到达传声器的时间为9.2毫秒，因此为了避开房间的反射声，时间窗的大小只能是5毫秒，对应的频率分辨率为200Hz。也就是说，对于200Hz以上的扬声器频率响应才是准确的，200Hz以下的扬声器频率响应是不准确的。

发明内容

基于上述的分析，本发明的目的就是解决非消声室内扬声器测量时房间反射声的干扰问题，提高扬声器频率响应测量时的频率分辨率。

本发明的另一个目的是加大测量时谱分析的时间窗，以能够提高测量的正确性。

本发明是通过自适应的回声抵消方式实现的，其原理如下：

通过自适应的方法来模拟接收到的信号通过房间后的过程，将这个模拟输出信号与电声反馈信号相减，从而降低回声信号强度。整个系统框图见图3，图中各信号关系如下：

S(i)＝V(i)+N(i)+R(i)*[h(i)-h^(i)]    (式1)

式中：S(i)传给测量系统的信号；

V(i)测量传声器拾取的被测扬声器发出直达声信号；

N(i)测量传声器拾取的房间内的背景噪声信号；

R(i)测量系统给出的测量信号；

h(i)房间反射的传输函数；

h^(i)模拟房间反射的传输函数。

如果能做到h(i)＝h^(i)，[h(i)-h^(i)]＝0，则S(i)＝V(i)+N(i)，则传给测量系统的信号只剩下了被测扬声器发出的直达声信号V(i)和不可避免的背景噪声信号N(i)。当然，由自适应抵消原理可知，要使h^(i)完全与h(i)相同是不可能的，因而不可能将房间反射声完全抵消干净，抵消后还会留下幅度很低的抵消剩余信号，对测量的结构影响不大。能够抵消的房间反射声的长短也与自适应滤波器的阶数有关。

本发明应用自适应抵消技术的非消声室扬声器测量方法，具体方式为：

1、在测量传声器之后加了一个自适应滤波器，测量系统送出的测量信号作为自适应滤波器的输入信号；

2、将传声器拾取的信号作为自适应滤波器的参考输入；

3、对自适应滤波器需要对输入的信号做一定的延时处理；

4、自适应滤波器将处理后的信号输入测量系统，由测量系统分析得出测量结果。

自适应滤波器包括：延时装置、FIR滤波器及系数更新装置，延时装置向FIR滤波器提供延时信号，系数更新装置用来更新FIR滤波器的处理系数。

上述的延时的时间应稍大于直达声到达测量传声器的时间，如果能够知道第一个前期反射声到达的时间，则延时时间可以取比第一个前期反射声到达的时间稍小的一个值，这样可以减小要抵消的时间的长度，从而减小滤波器的阶数，节省存储空间和减小计算量。延时时间与要抵消时间的关系见图4。图中t₁为直达声到达的时间，t₂为第一个前期反射声到达的时间，t₃为要使用的时间窗的大小，t₄为需要抵消的时间长度。从图中可以看出：

t₄＝t₃-(t₂-t₁)    (式2)

自适应内部框图见图5所示，输入的信号x(n)先经过延时后送入到FIR(有限冲击响应)滤波器中，得到输出y(n)。

y(n)＝W′_N(n)X_N(n)    (式3)

其中：W_N(n)为N个滤波器系数w_i(n)组成的向量，

W_N(n)＝[w₀(n)，w₁(n)，Λ，w_N-1(n)]′

X_N(n)为输入信号的N维向量，

X_N(n)＝[x₀(n)，x₁(n)，Λ，x_N-1(n)]′

符号“′”表示矩阵转置，下标N表示向量所含元素的个数，下同；

滤波器的输出y(n)与参考信号d(n)相叠加得到误差信号e(n)，

e(n)＝d(n)-y(n)    (式4)

误差信号一路作为自适应滤波器的输出，另一路送给FIR系数更新作为更新FIR滤波器系数的依据。可以使用的自适应处理的方式很多，基本上是两大类：遵循最小均方(Least Mean Square，即LMS)准则的和遵循最小平方(Recursive Least Square，即RLS)准则的，这些方式又有很多改进型。这里以基本最小均方(LMS)为例，作为自适应滤波器的系数更新方式说明：

W_N(n+1)＝W_N(n)+2μe(n)X_N(n)    (式5)

其中，W_N(n)为N阶FIR滤波器的N个系数，μ为步长因子。

①步长μ的选取。

$0<\mathrm{\&mu;}<\frac{1}{P}$ (式6)

其中P为输入信号的功率，P值可以实际测量或者用下式估算：

$P=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x_i\right|}^2$ (式7)

N为选取样本信号x_i的长度。

实际中一般取式(6)上限值的十分之一作为初始μ值，再根据试验确定合适的μ值。

②FIR滤波器的阶数的选取。滤波器的阶数对于LMS的收敛也有一定的影响，但主要是考虑需要抵消的回声的长度来选取。滤波器的阶数可以看成是滤波器可以记忆的先验数据的个数，因此它决定了可以抵消的样点个数。

设输入信号的采样频率为f_s，需要抵消的回声长度为t，那么需要的滤波器长度N至少为

N＝f_s*t    (式8)

从图6中可以看出，抵消房间反射后可以使用较大的时间窗。

附图说明

图1为一般非消声室扬声器测量框图；

图2为一般非消声室扬声器测量没有抵消房间反射声时使用的短时间窗的示意图；

图3为自适应滤波器抵消房间反射声的示意框图；

图4为延时时间与抵消时间的关系图；

图5为自适应滤波器的结构框图；

图6为抵消房间反射声后的较大的时间窗示意图；

图7为本发明实施例的测量框图；

图8为图7所示实施例的自适应滤波器的结构框图；

图9为本发明实施例的控制流程图。

具体实施方式

图7表明了一种用以实施本发明的非消声室扬声器测量框图。如图7所示，在测量传声器之后加了一个自适应滤波器，测量系统送出的测量信号作为自适应滤波器的输入信号x(n)，传声器拾取的信号作为自适应滤波器的参考输入d(n)。

由于直达声到达测量传声器需要一定的时间而且直达声不能被抵消，因此自适应滤波器需要对输入的信号做一定的延时处理。延时的时间应稍大于直达声到达测量传声器的时间，计算时可以取声速c＝344米/秒，延时时间与要抵消时间可以通过图4所示的方式(t₄＝t₃-(t₂-t₁))计算出来。

具体实施是采用DSP构成的自适应回声抵消器(即自适应滤波器)作为非消声室扬声器测量系统中的核心部件，其结构见图8。该自适应回声抵消器以TI的DSP-TMS320C6711为核心，送来的测量传声器拾取的信号d(n)和测试信号x(n)先经过模数变换器(ADC)成为数字信号送入DSP，经过DSP的自适应滤波后送出误差信号e(n)，经过数模变换器(DAC)变为已经抵消了一部分房间反射声的测量结果信号，送给扬声器测量系统进行分析。ADC和DAC采用crystal公司的CS4223单片双通路24比特48kHz采样ADC和DAC。SDRAM采用韩国现代公司的4Mbit存储器HY57V651620B，Flash采用了SST公司的39VF400A芯片。电源管理采用的是TI公司的PS767D318芯片。

CS4223输出的数据格式是工业标准的IIS(Inter-IC Sound)格式，采用补码表示。因此采用DSP TMS320C6711的多通道缓存串行口(McBSP)作为数据的输入和输出接口，它可以直接与支持IIS格式的数模变换器件相连接。从McBSP收到的每一个样点通过TMS320C6711的直接内存存储(DMA)搬移到输入数据缓冲区内等待处理，存满一帧后再进行处理，处理的结果放到输出数据缓冲区内，通过DMA送给McBSP输出到DAC。

并且自适应处理方式采用LMS自适应准则，具体的步骤见表1。

表1实际使用的基本LMS算法的步骤

·经过对输入信号的功率估算，取步长μ为3×10^-18。

·测量传声器距离被测扬声器1米，因此从被测扬声器发出的直达声需要3毫秒(1/344＝0.003)的时间才能到达测量传声器，被测扬声器距离地面1.5米，因此最近的前期反射声到达的时间约为9.2毫秒，取延时时间为9毫秒。

·输入信号为48kHz采样。为了使测得的50Hz以上的扬声器频率响应是准确则FFT的时间窗须为20毫秒左右，要抵消的时间长度约为20-(9-3)＝6毫秒，则阶数应为528，取阶数为600。

上述的DSP的控制流程图见图9，整个过程分为三个部分，主要控制流程、DMA中断服务流程和LMS处理流程。主要流程完成各种初始化工作，之后便进入到无限循环之中，等待DMA中断发生。当McBSP接收到一个样点后便会通知DMA，DMA把该样点数据放到指定的输入缓冲区内，如果DMA完成一帧的传送，则会产生一个DMA完成中断。McBSP是双向工作的，也就是在接收一个样点的同时发送一个样点，DMA也是设置了两个通道同时服务于McBSP的接收和发送。在DMA中断服务程序中，先要切换数据缓冲区，接收端切换到一个空的输入数据缓冲区，发送端切换到已经处理的输出数据缓冲区，这样保证了McBSP的连续工作，不会因为处理数据的延时而导致了输入数据的丢失和输出数据的中断，这也就是所谓的“乒乓”存储方式。在DMA中断服务流程中还要调用LMS处理完成抵消任务。LMS处理流程对于输入的一帧数据先存放到历史数据缓冲区的指定位置，然后一个一个样点的处理这些新数据。设置历史数据缓冲区是因为FIR滤波器对于一个新样点x(n)需要有N-1个历史数据x(n-1)、x(n-2)、...、x(n-N+1)。每一个样点的处理包括三个步骤：FIR滤波、计算误差和更新FIR系数，计算得到的误差信号存放到输出数据缓冲区中。最后调整历史数据缓冲区，移动数据，把不需要的数据清除，为下一帧数据腾出空间。实际实现中，可以利用TMS320C6711的循环寻址功能来完成历史数据缓冲区的移动。

本发明所列举的实施方式，仅是能够实现本发明的一种具体的方案，并不代表能够实现本发明的所有技术方案，凡是能够采取与本发明相同或者近似的方法，达到相同的效果的技术方案，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于：

A、在传声器之后加了一个自适应滤波器，测量系统送出的测量信号作为自适应滤波器的输入信号；

B、将传声器拾取的信号作为自适应滤波器的参考输入；

C、自适应滤波器需要对输入的信号做一定的延时处理；

D、再经过自适应滤波后送出误差信号，并将其转换为已经抵消了一部分反射声的测量结果信号；

E、自适应滤波器将处理后的信号输入测量系统，由测量系统分析得出测量结果。

2、如权利要求1所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于自适应滤波器包括：延时装置、FIR滤波器及系数更新装置，延时装置向FIR滤波器提供延时信号，系数更新装置用来更新FIR滤波器的处理系数。

3、如权利要求1所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于上述的延时装置由模拟电路、延时线、数字延时器、可编程器件或者专用集成电路构成实现。

4、如权利要求2所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于FIR滤波器结构采用横向FIR滤波器、格形FIR滤波器、FIR变形结构的任意一种。

5、如权利要求2所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于FIR滤波器采用直接形式、级联形式、线性相位形式、频率采样形式的形式实现。

6、如权利要求2所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于FIR系数更新装置采用最小的均方LMS、递归最小平方RLS、序惯回归SER或者其它的自适应算法。

7、如权利要求2、3、4、5或6所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于对输入的信号的滤波或者系数更新算法在频域完成。

8、如权利要求1所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于上述的延时的时间应稍大于直达声到达测量传声器的时间。

9、如权利要求2所述的以回声抵消测量非消声室扬声器方法，其特征在于参考输入信号与自适应滤波器的输出信号进行叠加，得到误差信号，误差信号一路用于输出到测量系统中，一路送到FIR滤波器，作为FIR系数更新的依据。

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