CN102711010B - 利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置。该方法包括：多通道FFT变换；多通道多子带均衡处理；多通道多子带相位延迟处理；多通道IFFT变换；将多通道时域序列送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场。该装置包括：声源、多通道FFT变换器、多通道多子带均衡器、多通道均衡的参数估计器、多通道多子带相位延迟器、最优相位延迟估计器、多通道IFFT变换器、多通道功率放大器、扬声器阵列；各单元依次顺序连接。本发明能够有效扩展宽带阵列空间辐射声场的覆盖范围，提高宽带阵列空间辐射声场的均匀程度，满足了宽带阵列扩声系统对声场空间分布品质的要求。

Description

利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置

技术领域

本发明涉及一种扬声器阵列宽带声场控制方法和装置，特别涉及一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置。

背景技术

在大型厅堂、体育场馆、露天广场、火车站和飞机场等大空间视听场所，传统的基于多个扬声器分离放置的声重放系统，由于多个扬声器所辐射空间声场存在着较为严重的干涉效应，会造成多扬声器所叠加声场在空间上出现较多的峰谷点，特别随着辐射信号频率的增加，这种叠加声场空间分布的不均匀特征将更为严重。为了解决大空间场所的声场均匀覆盖问题，基于多个扬声器单元的阵列系统设计已成为大型场所扩声系统的研发热点。

近年来，许多学者及音响工程师都致力于扬声器阵列系统的设计研发，期望通过对阵列的形状、通道延时、通道幅度及相位等物理参数的调整，以改善阵列空间辐射声场的分布特性——扩大阵列辐射声场的覆盖范围并提高阵列辐射声场分布的均匀化程度。为了改善扬声器阵列在宽频带大空间范围内的声场分布特性，许多设计方法和实现装置已经出现在文献中，这些研究成果如下：

文献1——Klepper David L., Steele Douglas W., “Constant Direction Characteristics from a Line Source Array,” J.A.E.S, Vol. 11, No. 3, pp. 198- 202, July 1963. ——提出了通过使用电学或声学滤波器装置，滤除掉部分扬声器单元的高频成份，以改善扬声器阵列整体的空间辐射声场特性。

文献2——van der Wal Menno, Start Evert W., de Vries Diemer, “Design of Logarithmically Spaced Constant-Directivity Transducer Arrays,” J. Audio Eng. Soc., Vol. 44, pp. 497-507, June 1996.——提出按照对数间距布放扬声器阵列的方法，以提高阵列空间辐射声场的均匀程度。

文献3——Keele Jr. D. B., “Effective Performance of Bessel Arrays,” J.A.E.S., Vol. 38, No. 10, pp. 723-748, October 1990.——提出了按照Bessel函数的数值大小来设置阵列各扬声器单元的声压辐射强度，从而改善阵列辐射声场的均匀特性。

 文献4——Jiang Chao, Shen Yong, “ An Omni-directivity Sound Source Array,” Mo. P2. 11, The 18^th International Congress On Acoustics, Kyoto, Japan, April 2004.——提出按照sinc函数的特性调整阵列各扬声器单元的声压辐射强度，从而在提高声场均匀程度的同时也改善了其相位特性。

文献5——沈勇，江超，徐小兵，张素珍，利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法和装置，专利申请号200410044849.5，授权公告号 CN 100521817C。——提出利用二次剩余序列的特性来优化扬声器阵列的空间辐射声场，按照二次剩余序列的比例关系调整各扬声器阵元通道的信号延时大小，以提高声场均匀程度。

文献6——沈勇，安康，欧达毅，利用二次剩余序列相位延迟设置扬声器阵列的方法和装置，专利申请号200610096523.6，授权公告号CN 1929696 B。——提出按照二次剩余序列的比例关系来调整各扬声器阵元通道的相位大小，以改善声场均匀特性。

文献1-4所提出的基于改变阵列形状或调整阵元通道幅度的这些方法，虽然都能够改善声场的均匀程度，但是这些方法的物理实现都较为复杂，声重放系统的辐射效率较低，实用性差。文献5所提出的基于二次剩余序列的通道延时控制方法，对阵列宽带范围的声场有一定的改善作用，但是随频率变化时阵列的空间方向图存在较为明显的改变，在某些频率点处辐射声场存在着较严重的不均匀特性。文献6所提出的基于二次剩余序列的通道相位延迟控制方法，较文献5所述方法有一定的改进，减小了阵列随频率变化所引起的空间声场变化程度，阵列在宽频带、大空间范围内的声场均匀性得到了进一步提高。

文献6所提出的基于二次剩余序列调整通道相位延迟的方法，物理实现简单，声场均匀程度的改善较为明显，但是这种仅利用一个与阵元数相等的特定二次剩余序列所设计出的阵列相位延迟矢量虽然达到了改善声场的效果，但是并不是最优的阵列相位延迟矢量。文献6并没有进一步考虑通过扩大二次剩余序列的覆盖范围来优化阵列相位延迟矢量的声场改善效果，并没有尝试使用多组不同二次剩余序列的组合来提高二次序列对阵列声场均匀特性的改善能力，因此并没有将二次剩余序列对阵列声场的改善作用完全发挥出来，仍然可以通过多种二次剩余序列的组合特性来提高其对阵列声场均匀特性的改善能力。

针对现有基于单个特定二次剩余序列的相位延迟控制方法，在扬声器阵列空间辐射声场改善方面所存在的性能有限、优化程度不足等问题，有待于研究通过扩大二次剩余序列的覆盖范围，借助多组不同二次剩余序列的组合来优化设计阵列的相位延迟矢量，以提高阵列在宽频带、大空间范围内所辐射声场的均匀程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置，以克服现有的基于单个特定二次剩余序列在阵列声场改善方面所存在的性能有限、优化程度不足等问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，包括如下步骤：

（1）多通道FFT变换；

（2）多通道多子带均衡处理；

（3）多通道多子带相位延迟处理；

（4）多通道IFFT变换；

（5）将多通道时域序列送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场。

进一步地，步骤1中多通道FFT变换，是指将声源信号的数字序列按照指定的序列长度                                               依次划分成各数据帧矢量，其表达式如下：

，

其中代表第个数据帧矢量，代表数据帧矢量的序列标号；在完成数据帧的划分后，对每个数据帧矢量按照指定的频谱分析长度进行多通道FFT（Fast Fourier Transform——快速傅立叶变换）变换，生成对应于阵列各子带的频谱序列矢量，其表达式如下：

，

其中代表阵列的第个子带的频谱矢量，，其表达式为：

，

其中代表对应于第个阵元第个子带的声源信号频谱数据，，

经过多通道FFT变换处理后，原声源信号转换为对应于个阵元、个子带的频谱数据。

声源信号可以为模拟或数字信号，如果声源信号为模拟信号，需要通过模数转换器转换为指定位宽和指定采样率的数字信号，如果声源信号为数字信号，则需要通过数字处理将其转换为指定位宽和指定采样率的数字信号。

更进一步地，步骤2中多通道多子带均衡处理，是指将经多通道FFT变换获得的阵列各子带频谱矢量，按照多通道均衡的参数估计器计算的阵列各子带的均衡参数进行均衡处理，多通道均衡的参数估计器的计算过程如下：

a.利用脉冲响应测量仪器测试出多个阵元通道的时域脉冲响应，在获得这些脉冲响应数据的基础上，按照自回归（Auto Regressive——AR）模型或者自回归滑动平均（Auto Regressive Moving Average——ARMA）模型对脉冲响应数据进行模型拟合，获得各通道脉冲响应的零极点模型；

b.按照阵列所期望的频域响应特征，利用最小二乘等估计方法对阵列各通道的均衡器模型参数进行估计，然后基于这些均衡器的参数估计结果计算出这些均衡器模型的频谱数据，并利用这些均衡器对应于多个通道多个子带的频谱数据对阵列各子带频谱矢量进行均衡处理，获得均衡后的阵列频谱矢量数据，其表达式如下：

，

其中代表阵列的第个子带经均衡处理后的频谱矢量，，其表达式为：

，

其中代表对应于第个阵元第个子带经均衡处理后的声源信号频谱数据，代表对应于第个阵元第个子带的均衡器频谱数据。

进一步地，步骤3中多通道多子带相位延迟处理，其阵列各子带最优相位延迟矢量的估计过程如下：

假设指定二次剩余序列的长度要远大于阵元数，定义序列长度的最小取值，该序列由如下公式产生：

，

其中为指定二次剩余序列的第个元素，为序列长度，通常取为奇数，表示取模；远大于按照一般数学定义是指若与相加，和的近似值与相等，则远大于，一般认为如果比大3个数量级以上，则远大于；

将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列，其具体实现如下：

假设指定二次剩余序列的表达式为:

,

按照阵元数对二次剩余序列进行切块，生成个子序列，其中，如图2所示。经序列分割后，序列可以由二次剩余子序列表示为：

，

其中为序列分割后产生的第个二次剩余子序列，可以表示为：

；

利用这些子序列的组合特性设计出最优的阵列相位延迟矢量，其具体实现流程如下：

由第个长度为的二次剩余子序列构造用于阵元数为的阵列相位延迟控制矢量为：

，

其中为对应于第个阵元的相位延迟量，其表达式为：

，

其中为相位延迟常量，其表达式为：

；

将由多个二次剩余子序列构造的阵列相位延迟矢量进行组合，假设按照二次剩余子序列的序号由、、…、组合形成的二次剩余序列的组合序列为，其表达式为：

，

其中，由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量为，其表达式：

，

其中；

假设在自由空间中，对元扬声器阵列在半径为的半圆形空间内的辐射声场进行S点离散采样，如图3所示，将扬声器阵列的中心位置定义为坐标原点O，则其中第个观察点与坐标原点O的连线与阵列法线的夹角为，第个观察点的坐标表示为：

，

第个阵元的位置坐标表示为：

；

假设第个阵元与第个观察点之间的距离为，其表达式如下：

     ；

在声源信号频率为时，第个扬声器阵元在第个观察点处的辐射声压表示为：

，

其中为声源信号的幅度，为波数，为声波的传播速度，为了便于分析声场的空间辐射效果，忽略掉声源信号幅度和声源信号相位的影响，则第个扬声器阵元在第个观察点处的辐射声压表达式可以简化为：

；

整个扬声器阵列在第个观察点处的辐射声压可以表示为:

；

将由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量引入到扬声器阵列中，按照矢量对各阵元进行相位延迟控制，则经相位延迟后整个阵列在第个观察点处的辐射声压可以表示为：

；

为了衡量相位延迟控制器对阵列辐射声场的改善程度，引入方差函数测量扬声器阵列在整个观察区域内的辐射声压幅度的均匀程度，将经相位延迟调整后扬声器阵列在所有观察点上的辐射声压排成一个列矢量，其表达式为：

，

对应于所有这些观察点的声压幅度矢量表示为：

；

扬声器阵列在所有观察点声压幅度矢量的方差估计值可以表示为：

，

其中为声压幅度矢量的均值；

按照声压幅度矢量的方差估计值分析二次剩余序列的组合序列在改善阵列辐射声压均匀程度方面的性能，当阵列在分别施加由二次剩余序列的各组合序列、、…、、…、所生成的各相位延迟矢量、、…、、…、时，分别计算出各延迟矢量控制情况下所有观察点声压幅度矢量的方差估计值序列为：、、…、、…、；将上述各方差估计值排成一个列矢量，其表达式为：

，

通过分析比较方差估计矢量的各元素数值大小，找出最小方差估计值所对应的相位延迟矢量作为最优的相位延迟矢量，利用该最优相位延迟矢量对阵列进行相位延迟调整，获得最优的阵列辐射声场，使阵列辐射声场的均匀程度达到最高水平；

假设声压幅度矢量的方差估计值矢量中具有最小值的方差估计值索引号为，其所对应的最小方差估计值表达式为：

，

这一最小方差估计值所对应的施加于阵列的最优相位延迟矢量为：

，

其中；

在设计扬声器阵列在宽带声源信号输入情况下最优相位延迟矢量时，将整个宽频带按照指定的频率间隔进行离散化形成多个子带；在每个子带上，按照最小方差的搜索原则，找出对应于最优相位延迟矢量的最优二次剩余组合序列，并由这一最优组合序列生成对应于各子带的最优相位延迟矢量；按照各子带所对应的阵列最优相位延迟矢量对阵列的各子带频谱数据进行相位延迟处理，从而保证阵列在宽频带范围内具有最优的均匀化声场辐射特性；

假设将扬声器阵列的工作频带离散化为个子带，那么由这一离散化频点序列所组成的离散化频率矢量为：

；

在第个频率样本点处，当阵列在分别施加由二次剩余序列的各组合序列、、…、、…、所生成的各相位延迟矢量、、…、、…、时，分别计算出各延迟矢量控制情况下所有观察点声压幅度矢量的方差估计值序列为：、、…、、…、，将上述各方差估计值排成一个列矢量，其表达式为：

。

通过分析比较方差估计矢量的各元素数值大小，找出方差估计值矢量中具有最小值的方差估计值索引号为，其所对应的最小方差估计值为，这一最小方差估计值所对应的施加于阵列的最优相位延迟矢量为： 

，

其中，

按照这一分析过程，依次找出每个离散频率点处的最优相位延迟矢量，则在整

个频带范围内对应于所有子带的阵列最优相位延迟矩阵表达式为：

，

在整个频带范围内对应于所有子带的最优相位延迟矢量的序列索引号表达式为：

，

在每个子带上阵列按照相应的该子带最优相位延迟矢量对均衡后子带频谱进行延迟调整，则经均衡和延迟调整后的阵列频谱数据表达式为：

，

其中代表阵列的第个子带经均衡和延迟处理后的频谱矢量，，其表达式为：

其中代表对应于第个阵元第个子带经均衡和延迟处理后的声源信号频谱数据；

将最优相位延迟矩阵用于扬声器阵列所有子带的延迟处理中，即可得到阵列在整个指定的宽频带范围内具有最优的声场辐射特性，从而保证阵列在整个宽频带范围内具有最优的均匀化声场。

更进一步地，步骤4中多通道IFFT变换，是将各通道经均衡和相位延迟处理后的频谱序列，按照指定的时域分析长度，进行IFFT（Inverse Fast Fourier Transform——逆快速傅立叶变换）变换，获得各通道经均衡和延迟处理后的时域序列矢量为：

，

其中代表对应于第个阵元通道第个数据帧经均衡和延迟处理后的时域序列矢量。

优选地，步骤5功率放大器，为模拟功率放大器、PWM（Pulse Width Modulation——脉冲宽度调制）调制的D类功率放大器以及PDM调制的数字功率放大器三者之一。

更优地，当功率放大器为模拟功率放大器时，经多通道IFFT变换后的数字序列需经过数模转换器处理后转换为模拟信号，然后将该模拟信号送至模拟功率放大器进行功率放大后驱动扬声器发声；当功率放大器为PWM调制的D类功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PWM调制方式转换为基于PWM调制的编码信号，再将该编码信号送到D类功率放大器进行功率放大和低通滤波后，驱动扬声器发声；当功率放大器为PDM调制的数字功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PDM调制方式转换为基于PDM调制的编码信号，然后将该编码信号送至数字功率放大器进行功率放大，最后用数字功率信号直接驱动扬声器发声。

本发明提供的另一技术方案为：一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，它包括

声源，是系统待重放的声信息；

多通道FFT变换器，与声源的输出端相连接，用于对阵列各通道的时域数据帧进行FFT变换，以获得阵列各通道的频谱序列；

多通道多子带均衡器，分别与多通道FFT变换器和多通道均衡的参数估计器的输出端相连接，用于对阵列多个阵元通道的频响起伏进行平坦化处理，同时对各阵元之间的频响差异进行校正处理，保证所有阵元通道的频响平坦性和一致性；

多通道均衡的参数估计器，与多通道多子带均衡器的输入端相连接，用于计算阵列在各阵元通道和各子带上的均衡器参数，并将这些对应于各阵元通道和各子带的均衡器参数用于对阵列的宽带频响的平坦性和阵元之间频响的差异性进行处理；

多通道多子带延迟器，分别与多通道多子带均衡器和最优相位延迟估计器的输出端相连接，用于对阵列各子带均衡后的频谱矢量进行最优相位延迟处理，从而提高阵列在宽频带范围内辐射声场的均匀化程度；

最优相位延迟估计器，与多通道多子带延迟器的输入端相连接，用于计算阵列在各阵元通道和各子带上的最优相位延迟量，并将这些对应于各阵元和各子带的最优相位延迟量用于阵列的相位延迟调整，提高阵列辐射声场的均匀化程度；

多通道IFFT变换器，与多通道多子带延迟器的输出端相连接，用于对均衡和延迟处理后的阵列频谱矢量进行IFFT变换处理，将阵列各通道经均衡和延迟处理后的频谱序列转换为时域序列；

多通道功率放大器，与多通道IFFT变换器的输出端相连接，用于对均衡和延迟调整后的多通道信号进行功率放大，从而实现对驱动扬声器阵列的驱动；

扬声器阵列，与多通道功率放大器的输出端相连接，用于完成电声转换操作，将均衡和延迟调整后的电功率信号转换为空气振动信号，从而达到改善阵列辐射声场均匀程度的目的。

进一步地，声源为模拟信号、数字编码信号或无线发射装置传送来的广播信号并通过无线接收器进行接收和解调获得用户指定的声源信号，其模拟信号可以来自于各种模拟装置所产生的模拟音源信号，其数字编码信号可以是各种数字装置所产生的数字编码信号。

更进一步地，多通道多子带均衡器的信号处理流程为：如图1所示，阵列各通道的数据帧经FFT变换生成对应于各子带的频谱序列，多通道多子带均衡器将对这些频谱序列按照其所在的通道和子带序号并按照多通道均衡的参数估计器所计算的相应均衡器参数进行所在通道和子带的并行均衡处理。

进一步地，多通道均衡的参数估计器计算阵列在各阵元通道和各子带上的均衡器参数的流程如下：多通道均衡的参数估计器通过测量方式获得阵列多个阵元通道的时域脉冲响应信息，再通过自回归或者自回归滑动平均模型对测量响应进行建模拟合，获得各通道脉冲响应的零极点模型，最后按照期望的阵元通道频响曲线，利用最小二乘等估计方法计算出各阵元通道和各子带的均衡器参数。

更进一步地，最优相位延迟估计器，如图5所示，其信号处理流程如下：

（1）首先，输入指定的二次剩余序列的长度，按照设定的序列长度生成二次剩余序列，按照与阵元数相等的序列长度对指定二次剩余序列进行分块，产生二次剩余子序列，然后对二次剩余子序列依次进行组合，生成多个组合序列，最后由多个组合序列分别生成相应的多个相位延迟矢量；另外，输入用于声场建模的已知参数，包括阵元数、阵元间距、扬声器口径、离散化频点矢量、阵元位置和观察点位置，利用这些参数建立扬声器阵列空间辐射声场的计算模型；

（2）依次在每个频点处利用多个相位延迟矢量分别控制阵列延迟，计算出每个延迟矢量控制时阵列在观察区域的声压幅度矢量，接着依次在每个频率点处分别计算多个相位延迟矢量控制时阵列在观察区域声压幅度矢量的方差估计值序列；

（3）在每个频率点处搜素方差估计值序列的最小值，并记录最小值所对应的序列索引号，然后利用每个频率点搜索所获得的序列索引号计算出用于宽带声场均匀化控制的对应于阵列各频率点的最优相位延迟矢量。

更进一步地，多通道多子带延迟器的信号处理流程为：如图1所示，多通道多子带延迟器将按照最优相位延迟估计器所计算出的对应于阵列各子带的相位延迟矢量，对经均衡处理后的各阵元和各子带的频谱序列进行相位延迟操作，从而提高了阵列辐射声场的均匀化程度。

优选地，多通道功率放大器为为模拟功率放大器、PWM（Pulse Width Modulation——脉冲宽度调制）调制的D类功率放大器以及PDM调制的数字功率放大器三者之一。

更优地，当多通道功率放大器为模拟功率放大器时，经多通道IFFT变换后的数字序列需经过数模转换器处理后转换为模拟信号，然后将该模拟信号送至模拟功率放大器进行功率放大后驱动扬声器发声；当多通道功率放大器为PWM调制的D类功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PWM调制方式转换为基于PWM调制的编码信号，再将该编码信号送到D类功率放大器进行功率放大和低通滤波后，驱动扬声器发声；当多通道功率放大器为PDM调制的数字功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PDM调制方式转换为基于PDM调制的编码信号，然后将该编码信号送至数字功率放大器进行功率放大，最后用数字功率信号直接驱动扬声器发声。

进一步地，扬声器阵列并不局限于线性扬声器阵列，可以根据实际应用需求设计各种形状的扬声器阵列。

通过采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、与传统的基于单一二次剩余序列的相位延迟矢量设计方法相比，本发明所采用的基于二次剩余序列组合特性的宽带扬声器阵列最优相位延迟设计方法，在整个宽带频率范围内其均匀化声场的改善效果要优于传统方法，经本发明所设计的相位延迟矢量控制后宽带阵列所产生空间声场的覆盖范围更广，声场的空间起伏性更小，声场均匀程度更高，同时这种空间声场均匀化的程度将在整个宽频带范围内均有较明显的提高。

2、本发明仅对阵列多个通道的相位延迟进行调整，不改变多个通道的信号幅度特征，并且其相位延迟矢量可以预先通过对阵列声场的仿真建模获得，然后按照仿真实验获得的相位延迟矢量大小对阵列的各通道进行延迟控制，物理实现简单，实时性好，不需要进行复杂的电路及阵列形状设计和大量的测量实验。

3、本发明通过扩大二次剩余序列的范围，并通过多个二次剩余子序列的组合特性，提高了二次剩余序列在宽带阵列声场改善方面的性能。

4、本发明适合阵列扩声系统在宽频带、大空间范围内的声场重放应用，能够有效提高重放声信号的质量水平，阵列声压幅度在宽频带范围内的起伏性小于传统方法，多个扬声器单元之间的声干涉效应较低，还原声信号更为真实自然。

5、本发明完全可以在DSP和FPGA等数字信号处理器件中完成多通道及宽带信号的相位延迟控制，硬件实现简单可靠，系统集成度高且体积小重量轻。

6、本发明所设计的多组扬声器阵列，可以互相拼接组合，从而形成更大尺度更大功率的声阵列，以覆盖更广的空间听音区域。

附图说明

图1表示本发明的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置的信号处理流程图；

图2表示本发明的指定二次剩余序列分成子序列过程的示意图；

图3表示本发明的阵列以及观察区域的位置示意图；

图4表示本发明的一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置的各组成模块示意图；

图5表示本发明的最优相位延迟估计器的信号处理流程图；

图6表示本发明实施例1中在声源频率为5 KHz时方差序列的数值与序列索引号的变化曲线；

图7表示本发明实施例1中按照阵列施加和未施加相位延迟矢量两种情况所获得的阵列在观察区域内的声压幅度曲线对比图；

图8表示本发明实施例2中按照三种情况所获得的阵列幅射声压幅度矢量的方差随频率变化的对比曲线图；

图9表示本发明实施例2中在频率为 5KHz时阵列在三种情况控制下的声压幅度分布曲线对比图。

其中图中标号为：

10、声源；11、多通道FFT变换器；12、多通道多子带均衡器；13、多通道均衡的参数估计器；14、多通道多子带延迟器；15、最优相位延迟估计器；16、多通道IFFT变换器；17、多通道功率放大器；18、扬声器阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

目前，传统的基于阵列的形状、阵元间距的声场控制方法和基于阵列多通道的幅度和相位调整的声场控制方法，其物理实现较为复杂。另外，传统的基于二次剩余序列的相位延迟控制方法，其相位延迟矢量仅依赖于单个长度有限的二次剩余序列进行设计，其改善声场均匀程度的能力有限，没有将二次剩余序列在声场均匀程度改善方面的性能完全发挥出来。针对传统方法的复杂性以及在声场均匀程度改善方面的性能不足等问题，本发明所提出的利用二次剩余序列组合特性的扬声器阵列宽带声场控制方法和装置，通过扩大二次剩余序列的范围，利用多组不同二次剩余子序列的组合特性，设计了更为优化的宽带阵列相位延迟控制矢量，通过使用这些优化的相位延迟矢量进行宽带阵列相位控制，提高了宽带阵列辐射声场的均匀化程度，并且该方法的物理实现简单，适合于阵列扩声系统在宽频带、大空间范围内的应用。

 如图4所示，制作一个依据本发明的利用二次剩余序列组合特性的扬声器阵列宽带声场控制装置，其主体由声源10、多通道FFT变换器11、多通道多子带均衡器12、多通道均衡的参数估计器13、多通道多子带延迟器14、最优相位延迟估计器15、多通道IFFT变换器16、多通道功率放大器17、扬声器阵列18等组成。

声源10，可以为模拟或者数字格式的声源文件，也可以为无线发送器送来的广播信号等。

多通道FFT变换器11，与多通道多子带均衡器12的输入端相连接，将按照指定的频率分析点数进行FFT变换处理，将时域数据帧转换为频谱序列。

多通道多子带均衡器12，分别与多通道FFT变换器11和多通道均衡的参数估计器13的输出端相连接，用于对阵列各通道和各子带进行均衡处理，保证各阵元通道的频响平坦性和所有阵元通道之间频响曲线的一致性。在下面的实施中将假定阵列所有阵元通道的频响具有完全理想化的平坦频响特性同时假定各阵元之间的频响差异已经得到完全的校正，阵元之间的频响特性完全一致。

多通道均衡的参数估计器13，与多通道多子带均衡器12的输入端相连接，用于计算对应于各阵元和各子带的均衡器参数。

多通道多子带延迟器14，分别与多通道多子带均衡器12和最优相位延迟估计器15的输出端相连接，用于对阵列各通道和各子带进行最优的相位延迟调整。

最优相位延迟估计器15，与多通道多子带延迟器14的输入端相连接。假定二次剩余序列的长度，假设扬声器阵列的阵元数为7。按照与阵列的阵元数相等的序列长度对二次剩余序列进行分块，生成2857个二次剩余子序列、、…、，将这些子序列逐级进行组合，生成2857个组合序列、、…、，利用这些组合序列构造的各相位延迟矢量为分别为、、…、。假设阵列的观察空间为半径为3m、观察角度为从0°到360°的圆形区域，按照1°的间隔角度对圆形观察区域进行离散化空间采样。

多通道IFFT变换器16，与多通道多子带延迟器14的输出端相连接，用于对经均衡和延迟处理后的频谱序列进行IFFT变换，将其转换为时域序列。

多通道功率放大器17，与多通道IFFT变换器16的输出端相连接，对均衡和相位延迟调整后的多通道信号进行功率放大，用于驱动扬声器阵列发声。

扬声器阵列18，与多通道功率放大器17的输出端相连接，假设扬声器阵列18为7元线阵列，阵元口径为6cm，相邻阵元之间的间距为7cm, 假设空气中声波传播速度为344m/s，阵列的工作频率为100Hz至20KHz。 

实施例1：

在本实施例中，假设声源信号的频率为5 KHz，按照扬声器阵列的输入参数（阵元数、阵元间距、扬声器口径、阵元位置、观察点位置）建立阵列的声场辐射模型，然后将指定的二次剩余序列进行分块并将子序列依次组合产生组合序列，利用各组合序列设计各相位延迟矢量分别为： 、、…、，用这些相位延迟矢量依次控制扬声器阵列，产生控制后的各声压幅度矢量为：、、…、，计算这些声压幅度矢量序列的方差序列为：、、…、，通过分析比较，找出方差序列中最小方差元素所对应的序列索引号，由该索引号所对应的相位延迟矢量极为该频率情况下最优的相位延迟矢量。

在声源频率为5KHz时，方差序列的数值与序列索引号的变化曲线如图6所示。从图中可以看出，由组合序列所设计的各相位延迟矢量依次控制阵列延迟时，阵列在观察区域内各声压幅度矢量的方差与组合序列的索引号的变化曲线具有唯一的谷点区域，这说明依据本发明所采用的方法能够找到最优的相位延迟矢量，其最优相位延迟矢量的索引号对应于该变化曲线谷点位置的索引号，因此可以通过搜索该曲线的谷点位置，也就是搜索方差序列的最小值所对应的索引号，将该索引号所对应的相位延迟矢量作为最优相位延迟矢量。

按照搜索方差序列最小值的方法，在声源频率为5KHz情况下，最小方差值所对应的序列索引号为：1874，在该索引号位置点处的最小方差为：0.0354，由该序列索引号所对应的最优相位延迟矢量为：。按照阵列施加和未施加相位延迟矢量两种情况，我们获得了阵列在观察区域内的声压幅度曲线对比图，如图7所示，这两组曲线都是将声压幅度矢量按照各自声压的峰值进行归一化处理，并将归一化声压转换为归一化的声压级。观察这两组曲线可以看出，在施加最优相位延迟矢量的控制后，阵列辐射声场更为均匀，原来未施加相位延迟控制时所存在的较多数量和较大幅度的峰谷点得到了减少，峰谷点的幅度起伏性也降低，这说明本发明所提出的基于二次剩余序列组合特性的相位延迟设计方法，具有较好的声场改善效果。在阵列施加和未施加相位延迟矢量两种情况，我们计算出声压幅度矢量的方差值分别为0.0354和0.7456，这也说明了阵列在施加最优相位延迟控制后，其空间声场分布的均匀程度得到了很大程度的提高。

实施例2：

在本实施例中，假设声源信号的频率按照100Hz的频率间隔从100Hz到20KHz的范围内逐点变化，我们对比分析在各频率点处阵列在三种情况下的空间声场分布的均匀程度。

情况1：在该情况下，阵列未施加相位延迟控制，观察单频输入时阵列在期望区域内的声压分布特性。

情况2：在该情况下，我们采用文献6中提出的基于单一二次剩余序列所设计的相位延迟矢量对阵列进行延迟控制，观察在单频输入时阵列在期望辐射区域内的声压分布特性。在该情况中，二次剩余序列为，按照这一序列所设计的相位延迟矢量为，利用这一相位延迟矢量实现对阵列的延迟控制，观察在该延迟控制施加后，阵列辐射声场的改善效果。

情况3：在该情况下，我们采用本发明提出的基于二次剩余序列的组合特性设计相位延迟矢量的方法，在每个频率点上，按照各组合序列 、、…、依次设计各相位延迟矢量 、、…、，计算阵列在各相位延迟矢量控制情况下期望区域内辐射声压幅度的方差序列、、…、，找出最小方差值所对应的序列索引号，按照这一索引号找到最优的相位延迟矢量，将这一最优相位延迟矢量用于阵列的延迟控制，观察在每个频点处阵列辐射声场的改善情况。

按照上述三种情况，我们获得了阵列幅射声压幅度矢量的方差随频率变化的对比曲线，如图8所示。从图中可以看出情况1未施加相位延迟调整时，阵列辐射声压幅度矢量的方差要大于0.2，情况2采用单一二次剩余序列所设计相位延迟矢量进行控制时，阵列辐射声压幅度矢量的方差基本上大于0.1，而情况3采用本发明基于二次剩余序列组合特性所设计的最优相位延迟矢量进行控制时，阵列辐射声压幅度矢量的方差基本在0.05附近，这说明采用本发明所提出的最优相位延迟矢量设计方法控制阵列延迟时，所获得声压幅度矢量具有最小的方差值，其相位延迟对阵列辐射声场均匀程度的改善效果最好。对比文献6所提出方法和本发明所提出方法在各频点处的方差曲线，可以看出本发明所提出方法对宽带声场均匀程度改善的能力要明显优于文献6所提出方法的性能。

在频率为 5KHz时，阵列在三种情况控制下的声压幅度分布曲线如图9所示，这三组曲线都是将声压幅度矢量按照各自声压的峰值进行归一化处理，并将归一化声压转换为归一化的声压级。观察这三组曲线可以看出本发明所提出方法在阵列声场改善方面的性能最好，声场的均匀程度最高。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，包括如下步骤：

（1）多通道FFT变换；

（2）多通道多子带均衡处理；

（3）多通道多子带相位延迟处理；

（4）多通道IFFT变换；

（5）将多通道时域序列送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场；

步骤3中所述的多通道多子带相位延迟处理，其阵列各子带最优相位延迟矢量的估计过程如下：

假设指定二次剩余序列的长度N要远大于阵元数L，定义序列长度N的最小取值

N_min＞10×L，该序列由如下公式产生：

c_n＝n²modN，

其中c_n为指定二次剩余序列的第n个元素，N为序列长度，通常取为奇数，mod表示取模；

将指定二次剩余序列按照阵元数L进行切块，产生多个二次剩余子序列，其具体实现如下：

假设指定二次剩余序列的表达式为:

c_N＝[c₁ C₂...c_N]²，

按照阵元数L对二次剩余序列c_N进行切块，生成M个子序列，其中N＞M×L，经序列分割后，序列c_N可以由二次剩余子序列表示为：

$C_N={\left[\begin{array}{cccc}{c_L^{\left(1\right)}}^T& {c_L^{\left(2\right)}}^T& ...& {c_L^{\left(M\right)}}^T\end{array}\right]}^T,$

其中为序列分割后产生的第i个二次剩余子序列，可以表示为：

$c_L^{\left(i\right)}={\left[\begin{array}{cccc}{c}_{(i-1)L+1}^{\left(i\right)}& c_{(i-1)L+2}^{\left(i\right)}& ...& c_{(i-1)L+L}^{\left(i\right)}\end{array}\right]}^T;$

利用这些子序列的组合特性设计出最优的阵列相位延迟矢量，其具体实现流程如下：

由第i个长度为L的二次剩余子序列构造用于阵元数为L的阵列相位延迟控制矢量为：

其中φ_i ⁽ⁱ⁾为对应于第l个阵元的相位延迟量，其表达式为：

${{\mathrm{\φ}}_l}^{\left(i\right)}=c_{(i-1)L+l}^{\left(i\right)}\×{\mathrm{\φ}}_0,$

其中φ₀为相位延迟常量，其表达式为：

φ₀＝2π/N;

将由多个二次剩余子序列构造的阵列相位延迟矢量进行组合，假设按照二次剩余子序列的序号i由组合形成的二次剩余序列的组合序列为其表达式为：

$d_L^{\{\mathrm{1,2},...,K\}}=\left[\begin{array}{cccc}{c}_L^{\left(1\right)}& c_L^{\left(2\right)}& ...& c_L^{\left(K\right)}\end{array}\right],$

其中1≤K≤M，由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量为其表达式：

其中 ${\mathrm{\φ}}_0^K=2\mathrm{\πK}/N;$

假设在自由空间中，对L元扬声器阵列在半径为r的半圆形空间内的辐射声场进行S点离散采样，将扬声器阵列的中心位置定义为坐标原点O，则其中第s个观察点Q_s与坐标原点O的连线与阵列法线的夹角为θ_s，第s个观察点Q_s的坐标表示为：

q_s＝(x_s，y_s)，

第l个阵元的位置坐标表示为：

u_l＝(x_l，y_l)；

假设第l个阵元与第s个观察点之间的距离为r_l ^(s)，其表达式如下：

$\begin{array}{c}{r_l}^{\left(s\right)}=\left|\right|q_s-u_l\left|\right|\\ =\sqrt{{(x_s-x_l)}^2+{(y_s-y_l)}^2}\end{array};$

在声源信号频率为f时，第l个扬声器阵元在第s个观察点Q_s处的辐射声压表示为：

$p_{l,f}^{\left(s\right)}=A\frac{\mathrm{expj}(2\mathrm{\πft}-{\mathrm{kr}}_l^{\left(s\right)})}{{\mathrm{kr}}_l^{\left(s\right)}},$

其中A为声源信号的幅度，k＝2πf/c为波数，c为声波的传播速度，忽略掉声源信号幅度A和声源信号相位exp(j2πft)的影响，则第l个扬声器阵元在第s个观察点Q_s处的辐射声压表达式可以简化为：

${\tilde{p}}_{l,f}^{\left(s\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{jk}{r}_l^{\left(s\right)})}{k{r}_l^{\left(s\right)}};$

整个扬声器阵列在第s个观察点Q_s处的辐射声压可以表示为:

$\begin{array}{c}{{\tilde{p}}_f}^{\left(s\right)}=\underset{l-1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{p}}_{l,f}^{\left(s\right)}\\ =\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\exp (-{\mathrm{jkr}}_l^{\left(s\right)})}{{\mathrm{kr}}_l^{\left(s\right)}}\end{array};$

将由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量引入到扬声器阵列中，按照矢量对各阵元进行相位延迟控制，则经相位延迟后整个阵列在第s个观察点Q_s处的辐射声压可以表示为：

引入方差函数测量扬声器阵列在整个观察区域内的辐射声压幅度的均匀程度，将经相位延迟调整后扬声器阵列在所有观察点上的辐射声压排成一个列矢量，其表达式为：

${\tilde{p}}_{f,K}={\left[\begin{array}{cccc}{{\tilde{p}}_{f,K}}^{\left(1\right)}& {{\tilde{p}}_{f,K}}^{\left(2\right)}& ...& {{\tilde{p}}_K}^{\left(s\right)}\end{array}\right]}^T,$

对应于所有这些观察点的声压幅度矢量表示为：

${\hat{p}}_{f,K}={\left[\begin{array}{cccc}\left|{{\tilde{p}}_{f,K}}^{\left(1\right)}\right|& \left|{{\tilde{p}}_{f,K}}^{\left(2\right)}\right|& |...|& \left|{{\tilde{p}}_{f,K}}^{\left(s\right)}\right|\end{array}\right]}^T;$

扬声器阵列在所有观察点声压幅度矢量的方差估计值可以表示为：

$\mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f,K}\right)=\frac{\underset{s=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{[{\hat{p}}_{f,K}-\stackrel{\‾}{{\hat{p}}_{f,K}}]}^2}{S},$

其中为声压幅度矢量的均值；

按照声压幅度矢量的方差估计值分析二次剩余序列的组合序列在改善阵列辐射声压均匀程度方面的性能，当阵列在分别施加由二次剩余序列的各组合序列 所生成的各相位延迟矢量时，分别计算出各延迟矢量控制情况下所有观察点声压幅度矢量的方差估计值序列为：将上述各方差估计值排成一个列矢量，其表达式为：

$\mathrm{var}\left({\hat{p}}_f\right)={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f,1}\right)& \mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f,2}\right)& ...& \mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f,M}\right)\end{array}\right]}^T,$

通过分析比较方差估计矢量的各元素数值大小，找出最小方差估计值所对应的相位延迟矢量作为最优的相位延迟矢量，利用该最优相位延迟矢量对阵列进行相位延迟调整，获得最优的阵列辐射声场，使阵列辐射声场的均匀程度达到最高水平；

假设声压幅度矢量的方差估计值矢量中具有最小值的方差估计值索引号为K_opt，其所对应的最小方差估计值表达式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{var}\left({\hat{p}}_{k,K_{\mathrm{opt}}}\right)=\min \left(\mathrm{var}\left({\hat{p}}_f\right)\right)\\ =\frac{\underset{s=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{[{\hat{p}}_{f,K_{\mathrm{opt}}}-\stackrel{\‾}{{\hat{p}}_{f,K_{\mathrm{opt}}}}]}^2}{S}\end{array},$

这一最小方差估计值所对应的施加于阵列的最优相位延迟矢量为：

其中 ${\mathrm{\φ}}_0^{K_{\mathrm{opt}}}=2{\mathrm{\πK}}_{\mathrm{opt}}/N;$

在设计扬声器阵列在宽带声源信号输入情况下最优相位延迟矢量时，将整个宽频带按照指定的频率间隔进行离散化形成多个子带；在每个子带上，按照最小方差的搜索原则，找出对应于最优相位延迟矢量的最优二次剩余组合序列，并由这一最优组合序列生成对应于各子带的最优相位延迟矢量；按照各子带所对应的阵列最优相位延迟矢量对阵列的各子带频谱数据进行相位延迟处理；

假设将扬声器阵列的工作频带离散化为W个子带，那么由这一离散化频点序列所组成的离散化频率矢量为：

f＝[f₁ f₂…f_W]^T;

在第w个频率样本点处，当阵列在分别施加由二次剩余序列的各组合序列 所生成的各相位延迟矢量时，分别计算出各延迟矢量控制情况下所有观察点声压幅度矢量的方差估计值序列为：将上述各方差估计值排成一个列矢量，其表达式为：

$\mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f_w}\right)={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f_w,1}\right)& \mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f_w,2}\right)& ...& \mathrm{var}\left({\hat{p}}_{f_w,M}\right)\end{array}\right]}^T.$

2.根据权利要求1所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，其特征在于：步骤1中所述的多通道FFT变换，是指将声源信号的数字序列按照指定的序列长度L_t依次划分成各数据帧矢量，其表达式如下：

$s_{n_0+1}={\left[\begin{array}{cccc}s(n_0{L}_t+1)& s(n_0{L}_t+2)& ...& s(n_0{L}_t+L_t)\end{array}\right]}^T,$

其中代表第n₀+1个数据帧矢量，n₀代表数据帧矢量的序列标号；在完成数据帧的划分后，对每个数据帧矢量按照指定的频谱分析长度W进行多通道FFT变换，生成对应于阵列各子带的频谱序列矢量，其表达式如下：

$S_{n_0+1}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{L,1}^{(n_0+1)}& S_{L,2}^{(n_0+1)}& ...& S_{L,W}^{(n_0+1)}\end{array}\right],$

其中代表阵列的第w个子带的频谱矢量，1≤w≥W，其表达式为：

$S_{L,w}^{(n_0+1)}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{1,w}^{(n_0+1)}& S_{2,w}^{(n_0+1)}& ...& S_{L,w}^{(n_0+1)}\end{array}\right],$

其中代表对应于第l个阵元第w个子带的声源信号频谱数据，1≤l≥L，

经过多通道FFT变换处理后，原声源信号转换为对应于L个阵元、W个子带的频谱数据。

3.根据权利要求1所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，其特征在于：步骤2中所述的多通道多子带均衡处理，是指将经多通道FFT变换获得的阵列各子带频谱矢量，按照多通道均衡的参数估计器计算的阵列各子带的均衡参数进行均衡处理，所述多通道均衡的参数估计器的计算过程如下：

a.利用脉冲响应测量仪器测试出多个阵元通道的时域脉冲响应，在获得这些脉冲响应数据的基础上，按照自回归模型或者自回归滑动平均模型对脉冲响应数据进行模型拟合，获得各通道脉冲响应的零极点模型；

b.按照阵列所期望的频域响应特征，利用最小二乘等估计方法对阵列各通道的均衡器模型参数进行估计，然后基于这些均衡器的参数估计结果计算出这些均衡器模型的频谱数据，并利用这些均衡器对应于多个通道多个子带的频谱数据对阵列各子带频谱矢量进行均衡处理，获得均衡后的阵列频谱矢量数据，其表达式如下：

其中代表阵列的第w个子带经均衡处理后的频谱矢量，1≤w≥W，其表达式为：

$S_{E,L,w}^{(n_0+1)}=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{E,1,w}^{(n_0+1)}& S_{E,2,w}^{(n_0+1)}& ...& S_{E,\mathrm{Lw}}^{(n_0+1)}\end{array}\right],$

其中代表对应于第l个阵元第w个子带经均衡处理后的声源信号频谱数据，E_l、w代表对应于第l个阵元第w个子带的均衡器频谱数据。

4.根据权利要求1所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，其特征在于：通过分析比较方差估计矢量的各元素数值大小，找出方差估计值矢量中具有最小值的方差估计值索引号为其所对应的最小方差估计值为这一最小方差估计值所对应的施加于阵列的最优相位延迟矢量为：

其中 ${\mathrm{\φ}}_0^{K_{\mathrm{opt}}^{\left(f_w\right)}}=2\mathrm{\π}{K}_{\mathrm{opt}}^{\left(f_w\right)}/N,$

按照这一分析过程，依次找出每个离散频率点处的最优相位延迟矢量，则在整

个频带范围内对应于所有子带的阵列最优相位延迟矩阵表达式为：

在整个频带范围内对应于所有子带的最优相位延迟矢量的序列索引号表达式为：

$K_{\mathrm{opt}}^{\left(f\right)}={\left[\begin{array}{cccc}{K}_{\mathrm{opt}}^{\left(f_1\right)}& K_{\mathrm{opt}}^{\left(f_2\right)}& ...& K_{\mathrm{opt}}^{\left(f_W\right)}\end{array}\right]}^T,$

在每个子带上阵列按照相应的该子带最优相位延迟矢量对均衡后子带频谱进行延迟调整，则经均衡和延迟调整后的阵列频谱数据表达式为：

其中代表阵列的第w个子带经均衡和延迟处理后的频谱矢量，1≤w≥W，其表达式为：

其中代表对应于第l个阵元第w个子带经均衡和延迟处理后的声源信号频谱数据；

将最优相位延迟矩阵φL_，W用于扬声器阵列所有子带的延迟处理中，即可得到阵列在整个指定的宽频带范围内具有最优的声场辐射特性。

5.根据权利要求1所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，其特征在于：步骤4中所述的多通道IFFT变换，是将各通道经均衡和相位延迟处理后的频谱序列，按照指定的时域分析长度L_t，进行IFFT变换，获得各通道经均衡和延迟处理后的时域序列矢量为：

其中代表对应于第l个阵元通道第n₀+1个数据帧经均衡和延迟处理后的时域序列矢量。

6.根据权利要求1所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，其特征在于：步骤5所述的功率放大器，为模拟功率放大器、PWM调制的D类功率放大器以及PDM调制的数字功率放大器三者之一。

7.根据权利要求6所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制方法，其特征在于：当所述功率放大器为模拟功率放大器时，经多通道IFFT变换后的数字序列需经过数模转换器处理后转换为模拟信号，然后将该模拟信号送至所述模拟功率放大器进行功率放大后驱动扬声器发声；当所述功率放大器为PWM调制的D类功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PWM调制方式转换为基于PWM调制的编码信号，再将该编码信号送到D类功率放大器进行功率放大和低通滤波后，驱动扬声器发声；当所述功率放大器为PDM调制的数字功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PDM调制方式转换为基于PDM调制的编码信号，然后将该编码信号送至数字功率放大器进行功率放大，最后用数字功率信号直接驱动扬声器发声。

8.一种利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：它包括声源（10）、用于对阵列各通道的时域数据帧进行FFT变换以获得阵列各通道的频谱序列并与所述声源（10）的输出端相连接的多通道FFT变换器（11）、用于对阵列多个阵元通道的频响起伏进行平坦化处理同时对各阵元之间的频响差异进行校正处理的并与所述多通道FFT变换器（11）相连接的多通道多子带均衡器（12）、用于计算阵列在各阵元通道和各子带上的均衡器参数并将这些对应于各阵元通道和各子带的均衡器参数用于对阵列的宽带频响的平坦性和阵元之间频响的差异性进行处理且输出端与所述多通道多子带均衡器（12）的输入端相连接的多通道均衡的参数估计器（13）、用于对阵列各子带均衡后的频谱矢量进行最优相位延迟处理并与所述多通道多子带均衡器（12）相连接的多通道多子带延迟器（14）、用于计算阵列在各阵元通道和各子带上的最优相位延迟矢量并将这些对应于各阵元和各子带的最优相位延迟量用于阵列的相位延迟调整且输出端与所述多通道多子带延迟器（14）的输入端相连接的最优相位延迟估计器（15）、用于对均衡和延迟处理后的阵列频谱矢量进行IFFT变换处理并将阵列各通道经均衡和延迟处理后的频谱序列转换为时域序列且与所述多通道多子带延迟器（14）的输出端相连接的多通道IFFT变换器（16）、用于对均衡和延迟调整后的多通道信号进行功率放大并与所述多通道IFFT变换器（16）的输出端相连接多通道功率放大器（17）、用于完成电声转换操作并将均衡和延迟调整后的电功率信号转换为空气振动信号且与所述多通道功率放大器（17）的输出端相连接的扬声器阵列（18），所述的声源（10）是系统待重放的声信息；

所述的最优相位延迟估计器（15），其信号处理流程如下：

首先，输入指定的二次剩余序列的长度，按照设定的序列长度生成二次剩余序列，按照与阵元数相等的序列长度对指定二次剩余序列进行分块，产生二次剩余子序列，然后对二次剩余子序列依次进行组合，生成多个组合序列，最后由多个组合序列分别生成相应的多个相位延迟矢量；另外，输入用于声场建模的已知参数，包括阵元数、阵元间距、扬声器口径、离散化频点矢量、阵元位置和观察点位置，利用这些参数建立扬声器阵列空间辐射声场的计算模型；

依次在每个频点处利用多个相位延迟矢量分别控制阵列延迟，计算出每个延迟矢量控制时阵列在观察区域的声压幅度矢量，接着依次在每个频率点处分别计算多个相位延迟矢量控制时阵列在观察区域声压幅度矢量的方差估计值序列；

在每个频率点处搜素方差估计值序列的最小值，并记录最小值所对应的序列索引号，然后利用每个频率点搜索所获得的序列索引号计算出用于宽带声场均匀化控制的对应于阵列各频率点的最优相位延迟矢量。

9.根据权利要求8所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：所述的声源（10），为模拟信号、数字编码信号或无线发射装置传送来的广播信号并通过无线接收器进行接收和解调获得用户指定的声源信号。

10.根据权利要求8所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：所述多通道多子带均衡器（12）的信号处理流程为：阵列各通道的数据帧经FFT变换生成对应于各子带的频谱序列，所述多通道多子带均衡器（12）将对这些频谱序列按照其所在的通道和子带序号并按照多通道均衡的参数估计器（13）所计算的相应均衡器参数进行所在通道和子带的并行均衡处理。

11.根据权利要求8所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：所述多通道均衡的参数估计器（13）计算阵列在各阵元通道和各子带上的均衡器参数的流程如下：多通道均衡的参数估计器（13）通过测量方式获得阵列多个阵元通道的时域脉冲响应信息，再通过自回归或者自回归滑动平均模型对测量响应进行建模拟合，获得各通道脉冲响应的零极点模型，最后按照期望的阵元通道频响曲线，利用最小二乘等估计方法计算出各阵元通道和各子带的均衡器参数。

12.根据权利要求8所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：所述多通道多子带延迟器（14）的信号处理流程为：多通道多子带延迟器（14）将按照最优相位延迟估计器（15）所计算出的对应于阵列各子带的相位延迟矢量，对经均衡处理后的各阵元和各子带的频谱序列进行相位延迟操作，从而提高了阵列辐射声场的均匀化程度。

13.根据权利要求8所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：所述的多通道功率放大器（17）为模拟功率放大器、PWM调制的D类功率放大器以及PDM调制的数字功率放大器三者之一。

14.根据权利要求13所述的利用二次剩余序列的扬声器阵列宽带声场控制装置，其特征在于：当所述多通道功率放大器（17）为模拟功率放大器时，经多通道IFFT变换后的数字序列需经过数模转换器处理后转换为模拟信号，然后将该模拟信号送至所述模拟功率放大器进行功率放大后驱动扬声器发声；当所述多通道功率放大器（17）为PWM调制的D类功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PWM调制方式转换为基于PWM调制的编码信号，再将该编码信号送到D类功率放大器进行功率放大和低通滤波后，驱动扬声器发声；当所述多通道功率放大器（17）为PDM调制的数字功率放大器时，需将经IFFT变换后的数字序列按照PDM调制方式转换为基于PDM调制的编码信号，然后将该编码信号送至数字功率放大器进行功率放大，最后用数字功率信号直接驱动扬声器发声。