CN101909236A - 用于近场hrtf测量的球形正十二面体声源及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源及设计方法，其声源包括球形金属外壳与十二个扬声器单元；十二个扬声器单元均匀分布固定在球形金属外壳内侧，且每三个扬声器单元位于球形金属外壳的同一纬度面上；每四个扬声器单元采用串联连接，三组串联后的扬声器单元之间采用并联连接。本发明可减弱声源表面棱角和平面结构对声波的衍射作用，减小声源的多重散射；可改善声源辐射声波的高频的无指向特性；并且声源的频响范围足够宽，满足近场HRTF的测量要求。

Description

用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源及设计方法

技术领域

本发明涉及电声技术领域，具体来讲是用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源及设计方法。

背景技术

头相关传输函数(Head-related Transfer Function，HRTF)是自由场条件下点声源到双耳的声学传输函数，在双耳听觉的研究和虚拟环绕声的应用方面都有重要的意义。当声源到头中心的距离大于1.0m时，称为远场HRTF；而距离小于1.0m时，称为近场HRTF。实验测量是获取HRTF最有效的方法。但理想的点声源是不存在的，测量中只能用一些物理特性相近的声源近似代替。实际使用的声源应近似是无指向特性、具有足够宽的幅频响应特性、足够小的声源尺度(使得声源多重散射对HRTF测量的影响可以忽略)、足够大的辐射声压级(以满足测量信噪比的要求)。上述各项要求是相互制约的，当声源尺寸增大时，低频响应可改善(从而获得更宽的幅频响应特性)，并且辐射声压级也可以提高，但同时声源的高频指向性和多重散射特性也将变得明显。对于远场HRTF测量，声源指向性和多重散射特性的影响相对较小，因而声源尺度可以做得相对较大，使得其他参数满足测量要求。但对于近场HRTF测量，由于声源指向性和多重散射的影响变得明显，其声源解决方案也变得困难。

现有的用于近场HRTF测量的小型声源，如探管声源、电火花声源等，其尺寸都比较小，声源指向性和多重散射基本上满足要求。但其在1kHz以下的低频特性不理想，因而在此频率范围的测量结果存在大的误差。事实上，对于近场HRTF，其400Hz以下的低频误差是可以通过理论计算近似修正的，但400Hz～1kHz的特性仍需要通过实验测量得到。因而测量声源的低频下限必须达到400Hz以下，然而上述现有的小型声源达不到这个要求。

在建筑声学测量中，经常采用正十二面体声源作为无指向性声源，并且国际上已有很多这类的市场化产品。但这些声源的尺寸都很大，多重散射明显；且其频率响应范围一般在125Hz～8kHz之间，高频特性较差，因而是不适用于近场HRTF测量的。

受上述正十二面体声源的启发，Nishino提出一种用于近场HRTF测量的小型正十二面体声源，其等效直径为0.038m，但4kHz附近的声源指向性差异已达到8dB的量级，1kHz以下的低频特性较差，不能满足近场HRTF的指向性误差要求。

发明内容

本发明的首要目的在于克服了现有技术的不足，提供了一种用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源，本发明可减弱声源表面棱角和平面结构对声波的衍射作用，减小声源的多重散射，改善声源辐射声波的频响特性和高频的无指向特性，使测量数据更加准确。

本发明的另一目的是提供一种用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源的设计方法。

本发明的首要目的通过以下技术方案来实现：用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源，包括球形金属外壳与十二个扬声器单元；十二个扬声器单元均匀分布固定在球形金属外壳上，且每三个扬声器单元位于球形金属外壳的同一纬度面上；每四个扬声器单元采用串联连接，三组串联后的扬声器单元之间采用并联连接。

所述球形金属外壳的表面设有十二个用于固定扬声器单元的圆孔。

所述球形金属外壳内填充吸声海绵。

本发明的另一目的通过以下技术方案来实现：用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源的设计方法，包括以下步骤：

步骤1)、设定声源的等效半径b₀；

步骤2)、对十二个扬声器单元的中心位置进行定标，将各个扬声器单元的中心位置分别布置于球形金属外壳的四个不同纬度面，每个纬度面均匀布置三个扬声器单元；

步骤3)、计算声源的辐射声压，进而计算声源的指向特性；

步骤4)、根据十二个扬声器单元的纸盆直径、底座直径和厚度，计算球形正十二面体的外接圆半径。

在所述的球形正十二面体声源的设计方法中，步骤1)所述的声源等效半径b₀在0.05m的范围内。

相对于现有技术，本发明的优点及有益效果是：

1、与传统的正十二面体声源多面体外形设计相比，所提出的外形为球形十二面体声源可减弱声源表面棱角和平面结构对声波的衍射作用，减小声源的多重散射；可改善声源的频率响应特性，在350Hz～20kHz的频段满足测量要求；可改善声源辐射声波的高频的无指向特性，在350kHz～8kHz的频率范围内近似实现无指向特性(指向因素在约±3dB的范围内)，满足近场HRTF的指向性误差要求。

2、声源的等效半径上限可增加到0.05m，对声源距离不小于0.2m时的近场HRTF测量，声源多重散射引起的近场HRTF测量误差在±1.0dB范围内，测量误差可以忽略不计。

3、用球面局部圆形脉动声源辐射声压的计算方法，并结合辐射声压的线性叠加原理，给出球形正十二面体声源的辐射声压计算公式，并以此准确预测声源模型的指向特性。

4、在一定的容许误差范围内，适当增加声源的尺度，可改善声源的低频特性。

附图说明

图1是球形正十二面体声源模型内部结构示意图；

图2是球形正十二面体声源各扬声器单元分布位置示意图；

图3是辐射声压计算模型示意图：(a)位于z轴方向的脉动单元及其半张角

(b)任意脉动单元及相应的新坐标；

图4是扬声器单元结构尺寸及安装：(a)扬声器单元结构尺寸示意图；(b)安装剖面；

图5是声源尺寸估算示意图：(a)纸盆所在正十二面体的外接圆半径b₂；(b)底座所在正十二面体的外接圆半径b₁；

图6是球形正十二面体声源的频响曲线；

图7是测量距离为1.0m时，不同频率的声源指向性图：(a)f＝16kHz；(b)f＝8kHz；(c)f＝4kHz。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源包括球形金属外壳3与十二个扬声器单元1。十二个扬声器单元均匀分布固定在球形金属外壳3的内侧，且每三个扬声器单元位于球形金属外壳3的同一纬度面上；如图2所示，被视线挡住的第三扬声器单元(i＝3)与第一扬声器单元(i＝1)、第二扬声器单元(i＝2)位于同一纬度面，第五扬声器单元(i＝5)、第六扬声器单元(i＝6)与第四扬声器单元(i＝4)位于同一纬度面，其余扬声器单元以此类推。球形金属外壳3的表面设有十二个圆孔，圆孔的大小与扬声器单元的尺寸相当，扬声器单元的纸盆压边11粘附于球形金属外壳3的内侧壁12开孔边缘，扬声器单元底部与球形金属外壳3之间通过具有一定长度的方头螺栓2进行固定。球形金属外壳3沿两个半球面上特定路径(即绕开扬声器单元所在位置的开孔的路径)的斜切面4进行封装，并用半埋头螺钉5进行固定。从声源壳体内伸出六角头螺栓6，与加工有标准尺寸螺纹的金属杆7相连，作为球形正十二面体声源的安装支架。十二个扬声器单元采用以下电路连接方式：每四个扬声器单元采用串联连接，三组串联后的扬声器单元之间采用并联连接；然后将导线9通过经密封处理的导线孔8引出。为了减弱球形腔体内振动模式的影响，在球形腔体内(即金属外壳3内)填充吸声海绵10。

根据近场HRTF测量的实际需要，本发明用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源的技术指标如下：

频率响应范围(Frequency Range)：至少满足400Hz～20kHz的频段，在400Hz以下的频段将进行低频修正。

辐射声压级(Sound Pressure Level，SPL)：声源辐射声压级应满足信噪比(SNR)要求，SNR一般不低于40dB。

球形正十二面体声源尺寸：若以误差不超过1.0dB为界，以及在声源距离不小于0.2m的条件下，声源的等效半径b₀应该在0.05m的范围内。

指向因素：在尽可能高的频率满足无指向特性。

基于上述技术指标，本发明用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源的设计方法，主要包括以下步骤：

步骤1)、设定声源的等效半径b₀在0.05m的范围内。

步骤2)、对十二个扬声器单元的中心位置进行定标。各个扬声器单元的相对位置是固定的，在保持各个扬声器单元相对坐标位置不变的情况下，可对所有扬声器单元的空间坐标位置进行同步地旋转。为简化问题，将各扬声器单元的中心位置分别布置于球形金属外壳的4个不同纬度面，则每个纬度面均匀布置3个扬声器单元，其外形效果如图2所示。

在图2所示的位置条件下，通过简单的几何推导，可得到以下的变化关系：

式中，α表示各扬声器单元中心位置的纬度(即仰角)，β表示各扬声器单元中心位置的经度(即方位角)(参考图3所示的坐标系)；i表示扬声器单元序号。如前文所述，式(1)得到的空间方位可在球坐标下同步地旋转。

步骤3)、计算声源的辐射声压，进而计算声源的指向特性。

知道各扬声器单元的中心位置后，可对声源模型的指向特性进行计算。计算声源指向性之前，须首先计算出该声源模型的辐射声压。在图3a中位置矢量为r的空间受声点E，球形正十二面体声源的总辐射声压P(r，f)是十二个扬声器单元辐射声压的总和：

$P(r,f)=\underset{i=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i(r,{\mathrm{\α}}_i,{\mathrm{\β}}_i,a_0,b_0,f),i=\mathrm{1,2},...,12---\left(2\right)$

其中，球半径(即声源的等效半径)为b₀，每个扬声器单元的纸盘半径为a₀。对于图3a所示的z轴方向的扬声器单元，辐射声压仅与受声点仰角α有关，计算式为：

$P_0(r,f)=P_0(r,\mathrm{\α},a_0,b_0,f)=\underset{l=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_l\frac{j{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{ch}}_l\left(\mathrm{kr}\right)P_l\left(\cos \mathrm{\α}\right)}{h_l^{\′}\left({\mathrm{kb}}_0\right)},r=(r,\mathrm{\α},\mathrm{\β}),---\left(3\right)$

式中，j为单位复数，ρ₀为空气密度，c为空气中的声速，k为波数；P_l为l阶的勒让得多

项式，h_l为第二类的l阶球汉开尔函数，系数C_l可用下式求解：

式中，u₀为扬声器单元振动速度的幅值；

为扬声器单元的半张角，计算式为

勒让得多项式的阶数l为非负，对l＝0时取初始值P_-1＝1。

当第i个扬声器单元的空间位置如图3b所示时，其辐射声压的表达式为：

$P_i(r^{\′},f)=P_i(r^{\′},{\mathrm{\α}}^{\′},a_0,b,f)=\underset{l=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_l\frac{j{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{ch}}_l\left({\mathrm{kr}}^{\′}\right)P_l\left(\cos {\mathrm{\α}}^{\′}\right)}{h_l^{\′}\left({\mathrm{kb}}_0\right)},r^{\′}=(r^{\′},{\mathrm{\α}}^{\′},{\mathrm{\β}}^{\′}),r^{\′}=r.---\left(5\right)$

式中，r′为受声点E在坐标系O-x_iy_iz_i中的位置矢量，α′为受声点E的位置矢量与z_i轴正向的夹角，而z_i轴正好穿过第i个单元的圆心，因此α′可由下式确定：

α′＝arccos(sinαsinβsinα_isinβ_i+sinαcosβsinα_icosβ_i+cosαcosα_i)(6)

算出辐射声压后，即可进一步得出声源模型的辐射声压指向性图。

步骤4)、设计声源的总体结构：根据十二个扬声器单元的纸盆直径、底座直径和厚度，计算球形正十二面体的外接圆半径。

声源各扬声器单元在球面的布局参考图2；其中各个扬声器单元的关键尺寸如图4a所示，主要包括底座直径d1，纸盆压边直径d2，纸盆直径d3(与金属壳体开孔大小有关)，厚度h；扬声器单元在内侧壁的安装剖面图如图4b所示。图4a中还给出了纸盆14，盆架15，折环13等结构的示意图，图4b中重新标注出金属球形壳体的内侧壁12，定位螺栓2，纸盆压边11。

当扬声器单元位置确定后，还应给出声源的整体尺寸。对于图1所示的球形正十二面体声源，各扬声器单元的上表面(即纸盆)和下表面(即底座)各分布于一个正十二面体，在某个视角的投影如图5a和5b所示。两个正十二面体的外接圆半径均可用公式估算：

对应的球形正十二面体声源的半径略小于上述外接圆直径，可按式(2)估算：

b_1/2≈a_1/2×cos(18°)，i＝1，2                   (8)

实际安装时，还须考虑金属球形壳体的厚度(如0.02m)。因此，图5a所示的球形正十二面体声源的半径尺寸b0应满足不等式：

b₀≥max{b₁+h，b₂}+0.02                            (9)

反过来，假如我们已知声源尺寸的上限(以控制声源多重散射误差)，就可以对扬声器单元的纸盆直径、底座直径和厚度进行限制。例如，前面已经建议球形声源的半径不宜大于0.05m。假定取b0＝0.05m，h＝0.02m，则b2≤0.05m，b1≤0.03m，由式(2)和式(3)可知，d2≤0.05m；d1≤0.03m，这将作为扬声器单元尺寸的选用参考值。

步骤5)、制作声源。

首先是选择扬声器单元。在进行扬声器单元的选择时，在上述的声源技术指标参数中，频率范围、辐射声压和声源尺寸都是由单个扬声器单元的特性所决定的。因此在选择扬声器单元时，应首先保证上述参数满足测量要求，在此基础上扬声器单元的尺寸应尽量小，以利于实现声源的无指向特性。

然后是选择材料，主要是外壳材质的选择，由于尺寸结构的局限，必须保证足够的机械强度，因此建议选用一定厚度(约不小于2mm)的金属材质(如不锈钢等)。

最后就按流程进行制作：制作球形金属壳体→在金属球壳表面绘制各个扬声器单元安装位置轮廓线(相应位置的圆)→加工球形声源固定螺杆和出线孔→在指示位置进行孔加工→沿特定路径(绕过开孔位置)将球体剖分为两个半球→将扬声器单元纸盆压边粘附于开孔内侧壁→用螺钉从单元底部固定单元→电路连接→填充吸声材料以降低腔体内振动模式的影响→密封封装。

按上述步骤1)～5)做成声源后，就可以通过实验测量对声源进行各项特性参数的验证。测量方法采用消声室测量，验证的物理参数主要包括辐射声压级、指向性、频率响应特性和声源的稳定性等。

实例效果及验证

选择的扬声器单元为国光电器股份有限公司(GGEC)生产的扬声器单元(型号：450031)。对应图4a的扬声器单元各尺寸为：纸盆压边直径d2＝0.0338m，远小于前面所述的最大直径0.05m；纸盆直径为d3＝0.028m(与开孔尺寸有关)；扬声器单元的厚度为h为0.0124m；底座直径d1＝0.022m。按式(7)～(8)的估算方法可得b2＝0.033m；b1+h＝0.033m，由式(9)知b0≥0.035m。实际声源的直径也约为0.035m，与理论值一致。

每个扬声器单元的阻抗为3.3欧姆，十二个单元采用“四串连→三并联”的电路连接，最后声源的总阻抗约4.0欧姆，可与常用功放匹配。测试信号为输入功率12w，平均到每个单元各1w，低于额定功率2.5w；测试环境为全消声室。测量得到的频响曲线如图6所示。

可见，在350Hz以上的频段，声压级基本都大于70dB。在400Hz～2kHz的频段，出现一个约8dB的峰，这是由声源各向辐射声压的干涉叠加所致。随着频率的升高，由于声源壳体的阴影作用，这一干涉现象明显减弱。总体上，350Hz～20kHz的频段都可用于近场HRTF的实验测量，如前所述，低于400Hz的频段可以进行低频修正，因此，该声源满足近场HRTF的测量要求。

然后分析指向性是否满足测量要求，以及理论计算值与测量值是否吻合。图7给出了测量距离为1m时，频率分别为16kHz、8kHz、4kHz的指向性图。

从图7可以看出，在4kHz和8kHz，计算结果与测量数据都能较好地吻合。在4kHz的频率，声源完全满足无指向特性的要求，不同方位的差异在0.1dB以内；在8kHz的频率，声源近似地满足全指向的要求，误差在约3dB以内；随着频率的进一步增加(如16kHz)，声源开始偏离无指向特性，这是各扬声器单元高频声波干涉的结果。

从上述的实例可见，根据本发明的球形正十二面体设计制作方案制成声源，其无指向性得以改善，声源尺寸能准确预测，其余各项性能参数能较好地满足近场HRTF测量要求，达到了预期的目的，解决了近场HRTF测量的声源技术难题。该发明还适用于其它对声源无指向特性和声源尺寸有特殊要求的电声应用场合。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源，其特征在于：包括球形金属外壳与十二个扬声器单元；十二个扬声器单元均匀分布固定在球形金属外壳内侧，且每三个扬声器单元位于球形金属外壳的同一纬度面上；每四个扬声器单元采用串联连接，三组串联后的扬声器单元之间采用并联连接。

2.根据权利要求1所述的球形正十二面体声源，其特征在于：所述球形金属外壳的表面设有十二个用于固定扬声器单元的圆孔。

3.根据权利要求1所述的球形正十二面体声源，其特征在于：所述球形金属外壳内填充吸声海绵。

4.用于近场HRTF测量的球形正十二面体声源的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、设定声源的等效半径b₀；

步骤2)、对十二个扬声器单元的中心位置进行定标，将各个扬声器单元的中心位置分别布置于球形金属外壳的四个不同纬度面，每个纬度面均匀布置三个扬声器单元；

步骤3)、计算声源的辐射声压，进而计算声源的指向特性；

步骤4)、根据十二个扬声器单元的纸盆直径、底座直径和厚度，计算球形正十二面体声源的外接圆半径。

5.根据权利要求4所述的球形正十二面体声源的设计方法，其特征在于，步骤1)所述的声源等效半径b₀在0.05m的范围内。

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