CN102857852A - 一种声场定量重现的控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声场定量重现的控制系统及其方法，属于声场重现及控制技术领域；该系统包括：扬声器回放阵列、采样阵列、多通道数模转换器、存储有信号处理程序的计算机和多通道数据采集卡；该方法包括：对目标声场进行采样：对采样信号进行频谱分析：通过傅里叶信号处理方法对目标声压信号进行频谱分析，得到该目标声压信号的频谱结构，提取频谱结构中每个频率成分的幅值和相位，将该目标声压信号转换到频域量：测量扬声器回放阵列对采样阵列的电声传递函数，基于传递函数识别方法求解扬声器回放阵列控制信号，将该控制信号输入回放扬声器回放阵列执行回放；该方法使得回放声场与目标声场误差较小。

Description

一种声场定量重现的控制系统及其方法

技术领域

本发明属于声场重现及控制技术领域，特别涉及一种能在限定区域内定量重现一个目标声场的控制系统及其方法。

背景技术

在空间区域内对原始声场进行准确重现具有重要的理论和实际意义。

基于Ambisonics的声场重现理论得到了广泛的研究，该理论基于球谐函数对声场进行级数展开，从而可以对一个声场进行准确的数学描述。特别是进行年来，高阶Ambisonics(High Order Ambisonics)理论在实际自由场声场重现中得到应用。

这些理论方法在自由场情形下可以达到较高的精度。然而，由于目前的基于Ambisonics的重现理论模型没有考虑实际扬声器特性、实际非自由场情形等因素，针对实际扬声器重现研究不具体，其应用也受到极大限制。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种声场定量重现的控制系统及其方法，使用扬声器回放阵列在室内限定区域内重现一个目标声场，该方法使得回放声场与目标声场误差较小，可实现非自由场限定区域声场的定量重现。

本发明提出的一种声场定量重现的控制系统，其特征在于，该系统包括：扬声器回放阵列、采样阵列、多通道数模转换器、存储有信号处理程序的计算机和多通道数据采集卡；其中，采样阵列由多个传声器组成，位于扬声器回放阵列的中心区域；每个传声器为一个采样测点，每个传声器的输出端均与多通道数据采集卡的输入端相连，多通道数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连，计算机的输出端与多通道数模转换器相连，多通道数模转换器的输出端同时与扬声器回放阵列中的各扬声器的输入端和多通道数据采集卡的另一个输出端相连。

本发明还同时提出一种采用上述系统的扬声器回放阵列控制信号的处理方法，该方法包括以下步骤：

1)对目标声场进行采样：设在限定区域内布置M个采样测点(M的取值依据扬声器回放阵列中扬声器个数而定，一般情况下要求M>10)，分别用x₁，x₂，x₃，…，x_M表示其空间位置，由此可获得目标时段内M个采样测点的目标声压信号[P_d(t)]_M×1，表示为：

[P_d(t)]_M×1＝[P_d(x₁;t),P_d(x₂;t),K,P_d(x_M;t)]^T                 (1)

式(1)中t为时间变量，[g]^T表示矩阵的转置；

2)对采样信号进行频谱分析：通过傅里叶信号处理方法对目标声压信号进行频谱分析，得到该目标声压信号的频谱结构，提取频谱结构中每个频率成分的幅值和相位，将该目标声压信号[P_d(t)]_M×1转换到频域量[P_d(f)]_M×1：

[P_d(f)]_M×1＝[P_d(x₁;f),P_d(x₂;f),K,P_d(x_M;f)]^T             (2)

式(2)中f为频率变量；

3)测量扬声器回放阵列对采样阵列的电声传递函数：设扬声器回放阵列由L个扬声器组成，(为保证有足够的可调节参数，一般情况下要求L>10，L与M尽可能一致)，首先给1号扬声器一个已知信号激励，测量扬声器回放阵列11中的1号扬声器对采样阵列12中的第1个采样测点的电声传递函数，然后同步测量L通道数模转换器的输出端对应通道的电信号e(t)以及同时刻采用采样阵列的采样测点1处的声压信号p(t)，通过所述电信号e(t)和声压信号p(t)两个信号计算出1号扬声器对采样测点1的电声传递函数。依此类推，分别测量扬声器回放阵列上的L个扬声器对采样阵列上M个采样测点的电声传递函数，从而得到传递函数矩阵[H(x;f)]_M×L：

${\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}={\left[\begin{array}{cccc}{H}_{11}(x_1;f)& H_{21}(x_1;f)& L& H_{L1}(x_1;f)\\ H_{12}(x_2;f)& H_{22}(x_2;f)& L& H_{L2}(x_2;f)\\ M& M& O& M\\ H_{1M}(x_M;f)& H_{2M}(x_M;f)& L& H_{\mathrm{LM}}(x_M;f)\end{array}\right]}_{M\×L}---\left(3\right)$

例采用分频段激励和测量，激励电信号e(t)中每个频率成分幅值均为A₀，如式(4)：

其中f_k为频率变量、

为相位变量；

对激励电压信号e(t)进行傅里叶变换时进行整周期截取，计算传递函数H_lm(x;f)；依此，对每个扬声器分别进行传递函数的测量，可得到传递函数矩阵[H(x;f)]_M×L；

4)基于传递函数识别方法求解扬声器回放阵列控制信号，设扬声器回放阵列输入控制信号中f频率分量由

表示，则声场控制系统模型如式(7)所示：

${\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}g{\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\×1}={\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\×1}---\left(7\right)$

使用最小误差平方法求解

使得最小，得到正则化最小误差平方的扬声器回放阵列控制信号f频率分量如式(8)所示：

${\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\×1}={[{{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}}^T{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}+\mathrm{\λI}]}^{-1}{{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}}^T{\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\×1}---\left(8\right)$

式(8)中λ为正则化参数，I为单位矩阵，[g]^-1表示矩阵的逆；

将各个频率分量的扬声器回放阵列控制信号

叠加即可得到最后总的扬声器回放阵列控制信号

5)将步骤4)中求解得到的控制信号

输入回放扬声器回放阵列执行回放，即实现对目标声场的重现。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

A.采用本系统对声场重构或声品质进行评价的过程中，可以在室内限定区域内定量地重现目标声场的声压分布，因而可以定量地评价声场还原的精度。

B.采用本方法在测量扬声器电声传递函数过程中，采用分频段信号激励扬声器，提高了电声传递函数测量和计算的准确性。

附图说明

图1为本发明的声场定量重现的控制系统装置结构框图；

图2为本发明的扬声器回放阵列控制信号求解方法及步骤；

图3为本发明的采样阵列采样测点布置示意图；

图4为本发明的定量重现实验效果对比图。

具体实施方式

本发明提出的一种声场定量重现的控制系统及其方法结合附图及实施例详细说明如下：

为了达到本发明所述目的，本发明提供的一个声场定量重现的控制系统的总体结构，如图1所示，它包括：扬声器回放阵列11、采样阵列12、多通道数模转换器13、存储有信号处理程序的计算机14和多通道数据采集卡15。其中，采样阵列12位于扬声器回放阵列11的中心区域(即评价区域)，由多个传声器组成，每个传声器为一个采样测点，图中的黑点表示传声器；每个传声器的输出端均与多通道数据采集卡15的输入端相连，多通道数据采集卡15的输出端与计算机14的输入端相连，计算机14的输出端与多通道数模转换器13相连，多通道数模转换器13的输出端同时与扬声器回放阵列11中的各扬声器的输入端和多通道数据采集卡15的另一个输出端相连。

在本实施例中，采用一个拥有15个采样测点的采样阵列，如图2所示(图中黑点表示采样测点的传声器，本实施例中采用的是声望科技MPA201型号)，测点布置在一个半径为0.25m的半球面上(编号1-5、6-10、11-15分别在不同的圆周上)，这些传声器通过数据线与多通道数据采集卡15连接；在本实施例中，多通道数据采集卡15采用的是BBM MKⅡ，其可对多通道信号进行同步采集，多通道数据采集卡15通过网线与计算机14连接，采集到的数据存储在计算机14中；计算机14的声卡输出端通过光纤与多通道数模转换器13连接；多通道数模转换器13通过音频线与扬声器回放阵列11连接。

为实现区域声场的定量重现，须对扬声器回放阵列11中各个扬声器的控制信号进行有效的处理。

本发明还提供一种采用上述系统的扬声器回放阵列控制信号的处理方法，如图3所示，具体包括以下步骤：

1)对目标声场进行采样：设在限定区域内布置M个采样测点(M的取值依据扬声器回放阵列中扬声器个数而定，一般情况下要求M>10)，分别用x₁，x₂，x₃，…，x_M表示其空间位置，由此可获得目标时段内M个采样测点的目标声压信号[P_d(t)]_M×1，表示为：

[P_d(t)]_M×1＝[P_d(x₁;t),P_d(x₂;t),K,P_d(x_M;t)]^T                 (1)

式(1)中t为时间变量，[g]^T表示矩阵的转置；

2)对采样信号进行频谱分析：通过傅里叶信号处理方法对目标声压信号进行频谱分析，得到该目标声压信号的频谱结构，提取频谱结构中每个频率成分的幅值和相位，将该目标声压信号[P_d(t)]_M×1转换到频域量[P_d(f)]_M×1：

[P_d(f)]_M×1＝[P_d(x₁;f),P_d(x₂;f),K,P_d(x_M;f)]^T             (2)

式(2)中f为频率变量；

3)测量扬声器回放阵列对采样阵列的电声传递函数：设扬声器回放阵列由L个扬声器组成，(为保证有足够的可调节参数，一般情况下要求L>10，L与M尽可能一致)，首先给1号扬声器一个已知信号激励，测量扬声器回放阵列11中的1号扬声器对采样阵列12中的第1个采样测点的电声传递函数，然后同步测量L通道数模转换器13的输出端1号通道(通道编号与扬声器编号一一对应)的电信号e(t)以及同时刻采用采样阵列12的采样测点1处的声压信号p(t)，通过所述电信号e(t)和声压信号p(t)这两个信号计算出1号扬声器对采样测点1的电声传递函数。依此类推，分别测量扬声器回放阵列11上的L个扬声器对采样阵列12上M个采样测点的电声传递函数，从而得到传递函数矩阵[H(x;f)]_M×L：

${\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}={\left[\begin{array}{cccc}{H}_{11}(x_1;f)& H_{21}(x_1;f)& L& H_{L1}(x_1;f)\\ H_{12}(x_2;f)& H_{22}(x_2;f)& L& H_{L2}(x_2;f)\\ M& M& O& M\\ H_{1M}(x_M;f)& H_{2M}(x_M;f)& L& H_{\mathrm{LM}}(x_M;f)\end{array}\right]}_{M\×L}---\left(3\right)$

为了准确地测量电声传递函数H_lm(x;f)，本实施例采用分频段激励和测量，每20Hz为一个频段，激励电信号e(t)中每个频率成分幅值均为A₀，如式(4)：

其中f_k为频率变量、为相位变量；

对激励电压信号e(t)进行傅里叶变换时须进行整周期截取，这样可准确地计算传递函数H_lm(x;f)。依此，对每个扬声器分别进行传递函数的测量，可得到传递函数矩阵[H(x;f)]_M×L。

计算电声传递函数过程具体如下：

如前面所述，假设e(t)、p(t)已由实验测量得到，对e(t)、p(t)进行频谱分析后可得到它们所包含的每个频率成分的幅值和相位，以频率f为例，信号的频域表达方式为：

又：

它们之间存在式(5)所示关系：

E₁(f)gH_lm(x;f)＝P_m(x;f)                             (5)

得到：

其中A_m，A_l，

分别表示声压信号p(t)的幅值、电压信号e(t)的幅值、声压信号p(t)的初相位、电压信号e(t)的初相位，A_m，A_l，通过对实测p(t)、e(t)时域信号分别作FFT变换计算得到，从而根据公式(6)计算出电声传递函数H_lm(x;f)。

4)基于传递函数识别方法求解扬声器回放阵列控制信号，设扬声器回放阵列输入控制信号中f频率分量由

表示，则声场控制系统模型如式(7)所示：

${\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}g{\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\×1}={\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\×1}---\left(7\right)$

使用最小误差平方法求解

使得最小，得到正则化最小误差平方的扬声器回放阵列控制信号f频率分量如式(8)所示：

${\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\×1}={[{{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}}^T{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}+\mathrm{\λI}]}^{-1}{{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}}^T{\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\×1}---\left(8\right)$

式(8)中λ为正则化参数，I为单位矩阵，[g]^-1表示矩阵的逆。

将各个频率分量的扬声器回放阵列控制信号

叠加即可得到最后总的扬声器回放阵列控制信号

5)将步骤4)中求解得到的控制信号输入回放扬声器回放阵列执行回放，便实现了对目标声场的重现。

图4所示是采样测点1处目标声压信号与回放声压信号的A计权总声压级比较，从图中可以看出，二者误差很小，该定量重现系统和方法取得了良好的实验效果。

Claims (4)

1.一种声场定量重现的控制系统，其特征在于，该系统包括：扬声器回放阵列、采样阵列、多通道数模转换器、存储有信号处理程序的计算机和多通道数据采集卡；其中，采样阵列由多个传声器组成，位于扬声器回放阵列的中心区域；每个传声器为一个采样测点，每个传声器的输出端均与多通道数据采集卡的输入端相连，多通道数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连，计算机的输出端与多通道数模转换器相连，多通道数模转换器的输出端同时与扬声器回放阵列中的各扬声器的输入端和多通道数据采集卡的另一个输出端相连。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述采样阵列的采样测点布置在一个半球面上的不同的圆周上。

3.一种采用如权利要求1所述系统的扬声器回放阵列控制信号的处理方法，该方法包括以下步骤：

1)对目标声场进行采样：设在限定区域内布置M个采样测点，分别用x₁，x₂，x₃，…，x_M表示其空间位置，由此可获得目标时段内M个采样测点的目标声压信号[P_d(t)]_M×1，表示为：

[P_d(t)]_M×1＝[P_d(x₁;t),P_d(x₂;t),K,P_d(x_M;t)]^T                (1)

式(1)中t为时间变量，[g]^T表示矩阵的转置；

2)对采样信号进行频谱分析：通过傅里叶信号处理方法对目标声压信号进行频谱分析，得到该目标声压信号的频谱结构，提取频谱结构中每个频率成分的幅值和相位，将该目标声压信号[P_d(t)]_M×1转换到频域量[P_d(f)]_M×1：

[P_d(f)]_M×1＝[P_d(x₁;f),P_d(x₂;f),K,P_d(x_M;f)]^T    (2)

式(2)中f为频率变量；

3)测量扬声器回放阵列对采样阵列的电声传递函数：设扬声器回放阵列由L个扬声器组成，首先给1号扬声器一个已知信号激励，测量扬声器回放阵列11中的1号扬声器对采样阵列12中的第1个采样测点的电声传递函数，然后同步测量L通道数模转换器的输出端对应通道的电信号e(t)以及同时刻采用采样阵列的采样测点1处的声压信号p(t)，通过所述电信号e(t)和声压信号p(t)两个信号计算出1号扬声器对采样测点1的电声传递函数。依此类推，分别测量扬声器回放阵列上的L个扬声器对采样阵列上M个采样测点的电声传递函数，从而得到传递函数矩阵[H(x;f)]_M×L：

${\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}={\left[\begin{array}{cccc}{H}_{11}(x_1;f)& H_{21}(x_1;f)& L& H_{L1}(x_1;f)\\ H_{12}(x_2;f)& H_{22}(x_2;f)& L& H_{L2}(x_2;f)\\ M& M& O& M\\ H_{1M}(x_M;f)& H_{2M}(x_M;f)& L& H_{\mathrm{LM}}(x_M;f)\end{array}\right]}_{M\×L}---\left(3\right)$

例采用分频段激励和测量，激励电信号e(t)中每个频率成分幅值均为A₀，如式(4)：

其中f_k为频率变量、

为相位变量；

对激励电压信号e(t)进行傅里叶变换时进行整周期截取，计算传递函数H_lm(x;f)；依此，对每个扬声器分别进行传递函数的测量，可得到传递函数矩阵[H(x;f)]_M×L；

4)基于传递函数识别方法求解扬声器回放阵列控制信号，设扬声器回放阵列输入控制信号中f频率分量由

表示，则声场控制系统模型如式(7)所示：

${\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}g{\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\×1}={\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\×1}---\left(7\right)$

使用最小误差平方法求解

使得最小，得到正则化最小误差平方的扬声器回放阵列控制信号f频率分量如式(8)所示：

${\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\×1}={[{{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}}^T{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}+\mathrm{\λI}]}^{-1}{{\left[H(x;f)\right]}_{M\×L}}^T{\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\×1}---\left(8\right)$

式(8)中λ为正则化参数，I为单位矩阵，[g]^-1表示矩阵的逆；

将各个频率分量的扬声器回放阵列控制信号

叠加即可得到最后总的扬声器回放阵列控制信号

5)将步骤4)中求解得到的控制信号输入回放扬声器回放阵列执行回放，即实现对目标声场的重现。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述步骤3)计算电声传递函数过程具体如下：

设e(t)、p(t)由实验测量得到，对e(t)、p(t)进行频谱分析后得到e(t)、p(t)所包含的每个频率成分的幅值和相位，其中频率f信号的频域表达方式为：又：则它们之间存在式(5)所示关系：

E_l(f)gH_lm(x;f)＝P_m(x;f)                     (5)

由此得到：

其中A_m，A_l，

分别表示声压信号p(t)的幅值、电压信号e(t)的幅值、声压信号p(t)的初相位、电压信号e(t)的初相位，A_m，A_l，通过对实测p(t)、e(t)时域信号分别作FFT变换计算得到，从而根据公式(6)计算出电声传递函数H_lm(x;f)。

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