CN102928067A - 一种用于测量房间声学参数的系统及方法 - Google Patents

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一种用于测量房间声学参数的系统及方法，包括：用于信号处理的控制器/浮点运算器；用于产生激励声源信号最大长度MLS序列的激励声源序列产生模块；用于求解脉冲响应信号的脉冲响应信号求解模块；用于求解房间声学参数的房间声学参数求解模块；用于优化房间声学特性的声学特性优化模块。在测量时根据混响的预估值选择其中一种阶数的MLS序列经数/模转换馈给扬声器播放，连续的重复播放次数为M次；同时，传声器捡拾经房间发射、吸收后的信号，经模/数转换后进行一些列的信号处理运算，包括：脉冲响应求解、声学参数求解和声学特性优化求解。本发明成本价格低，操作简单，能够广泛应用在普通房间的声学参数测量。

Description

一种用于测量房间声学参数的系统及方法
技术领域
本发明涉及声学领域，尤其是一种用于测量房间声学参数的系统及方法。
背景技术
随着人们对音质要求的提高，开始对普通的房间进行声学考虑，比如通过进行声学装修或是调整房间内的音响特性使声音特性满足所需要求。工程技术人员进行声学改造需要基于声学参数的获得，例如早期混响时间EDT、混响时间T30、频率响应等等。但声学参数的测量需要专业的仪器设备，价格昂贵，且由于其专业性和复杂性，最初仅应用于音乐厅和体育馆等大空间中，很少应用于中小型房间中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种用于测量房间声学参数的系统，成本价格低，操作简单，能够广泛应用在普通房间的声学参数测量。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种用于测量房间声学参数的系方法，成本价格低，操作简单，能够广泛应用在普通房间的声学参数测量。
为解决上述技术问题之一，本发明的技术方案是：一种用于测量房间声学参数的系统，包括：
用于信号处理的控制器/浮点运算器；
用于产生激励声源信号最大长度MLS序列的激励声源序列产生模块；
用于求解脉冲响应信号的脉冲响应信号求解模块；
用于求解房间声学参数的房间声学参数求解模块；
用于优化房间声学特性的声学特性优化模块。
作为改进，所述激励声源序列产生模块可依据房间混响的预估值产生14、15、16和17阶四种阶数的MLS信号；所述脉冲响应信号求解模块根据激励声源序列产生模块产生的激励信号阶数，在44.1KHz的默认采用频率中对应有0.37秒、0.74秒、1.49秒和2.97秒四种长度的房间脉冲响应。
作为改进，所述房间声学参数包括早期混响时间EDT、混响时间T30和测量点的频率响应特性。
作为改进，所述声学特性优化模块根据房间大小、声学参数和用户需求，给出房间在何种频率范围需要调整，以及调整的吸声量大小。
作为改进，所述MLS序列是一种数字伪随机序列，每一个时间采样点的值为“1”或“0”，若阶数为N，序列的采样点总数为2N-1个，序列的时间长度则为（2N-1）/44100（秒）；四种阶数的MLS信号已经预先计算得到，并已经验证其用于脉冲响应测量的有效性，算法在运行时可直接从存储器上加载。
为解决上述技术问题之二，本发明的技术方案是：一种用于测量房间声学参数的方法，在测量时根据混响的预估值选择其中一种阶数的MLS序列经数/模转换馈给扬声器播放，连续的重复播放次数为M次；同时，传声器捡拾经房间发射、吸收后的信号，经模/数转换后进行一些列的信号处理运算，包括：脉冲响应求解、声学参数求解和声学特性优化求解。
作为改进，已编写好的MLS序列存储于外部存储器中，序列的阶数根据房间混响时间估值有14、15、16和17阶四种，在默认采样频率44.1kHz时对应四种脉冲响应长度：0.37秒、0.74秒、1.49秒和2.97秒。所述MLS序列是一种数字伪随机序列，每一个时间采样点的值为1”或“0”，若阶数为N，序列的采样点总数为2N-1个，序列的时间长度则为（2N-1）/44100（秒）。本发明根据中小型房间中可能出现的混响时间长度，算法中存在可供选择的四种阶数，并且为了优化算法在处理器中的计算速度，四种阶数的MLS信号已经预先计算得到，并已经验证其用于脉冲响应测量的有效性，算法在运行时可接从存储器上加载。
作为改进，房间脉冲响应求解具体为：传声器捡拾的信号经经M次平均可降低误差，平均后根据所用的MLS激励信号类型，调用已存储好的排序方法进行第一次排序，进行Hadmard运算，再进行第二次排序，最后根据已知的扬声器和传声器特性进行修正得到房间的脉冲响应。因为所涉及的两次排序操作与激励信号序列MLS的样式有关，因此本发明对四种阶数的排序方法都进行了计算，得到四对共八个排序序列，并存储于外部存储器中；当求解房间脉冲响应算法运行时，加载相应阶数的一对排序序列。
作为改进，根据计算得到的房间脉冲响应可求房间的声学参数，包括早期混响时间EDT和混响时间T30的求解，在获得房间脉冲响应信号的基础上进行；具体为：首先采用施罗德后向积分算法，把脉冲响应信号转换成声能量衰变曲线的形式；根据能量曲线从0分贝衰减到-10分贝的斜率，推导衰减到-60分贝的时间，此为EDT；根据曲线从-5贝衰减到-35分贝，推导衰减到-60分贝的时间，此为30；用户根据需要选择使用EDT或T30，默认使用EDT；频率响应特性曲线则是对脉冲响应做快速傅立叶变换(FFT），得到脉冲响应在频域上的特性。
作为改进，根据计算得到的房间声学参数可求解声学特性优化解决方案，具体为：以房间的长、宽、高为尺寸参数，同时以用户需要的声音特性作为优化目标，求得在某些频率范围所需要增加/降低的吸声量A0。为了调整房间的混响时间，根据房间的吸声面积和体积计算得到在某些倍频程需要增加或降低的吸声量；在房间装修不做改动的情况下，为改善听音区域的声学特性，给出音响系统可在哪些频率范围进行混响和频谱的调整。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
（1）四个算法模块为一个联系的整体，在一个通用的浮点运算器上即可运行，具有移动性和便携性；
（2）根据中小型房间中常见的混响时间，预先编写了四种阶数的MLS激励信号，已验证了其用于脉冲响应测量的有效性，并内置于存储器中，算法在运行时可直接从存储器上加载，加快了运行速度；
（3）在求解脉冲响应时，已预先对四种阶数的求解排序方法进行了计算，得到四对共八个排序序列，并存储于外部存储器中，运行时直接加载，加快了运行速度；
（4）优化方案中可直接给出需要调整的吸声量，并且提供了改善房间共振现象所需的频率特性参数。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为本发明工作流程图。
图3为求解房间脉冲响应信号的算法流程图。
图4为求解房间声学参数的算法流程图。
图5为求解声学特性优化方案的算法流程图。
图6为在一个听音室内听音区域中的一点测量、计算得到的14阶脉冲响应。
图7为在一个小型会议室内的一点测量、计算得到的17阶脉冲响应。
图8为在一个多媒体会议室内听众席中的一点测量、计算得到的16阶脉冲响应。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，一种用于测量房间声学参数的系统，包括用于信号处理的控制器/浮点运算器；用于产生激励声源信号最大长度MLS序列的激励声源序列产生模块；用于求解脉冲响应信号的脉冲响应信号求解模块；用于求解房间声学参数的房间声学参数求解模块；用于优化房间声学特性的声学特性优化模块。系统在测量时根据混响的预估值选择其中一种阶数的MLS序列经数/模转换馈给扬声器播放，连续的重复播放次数为M次；同时，传声器捡拾经房间发射、吸收后的信号，经模/数转换后进行一些列的信号处理运算，包括：脉冲响应求解、声学参数求解和声学特性优化求解。
用于信号处理的控制器/浮点运算器；本发明基于通用的浮点运算平台，以ADI公司生产的信号处理器ADSP-2136x系列为运算平台。
用于产生激励声源信号最大长度MLS序列的激励声源序列产生模块；所述MLS序列是一种数字伪随机序列，每一个时间采样点的值为“1”或“0”，若阶数为N，序列的采样点总数为2N-1个，序列的时间长度则为（2N-1）/44100（秒）。已编写好的MLS序列存储于外部存储器中，序列的阶数根据房间混响时间估值有14、15、16和17阶四种，在默认采样频率44.1kHz时对应四种脉冲响应长度：0.37秒、0.74秒、1.49秒和2.97秒。本发明根据中小型房间中可能出现的混响时间长度，算法中存在可供选择的四种阶数，并且为了优化算法在处理器中的计算速度，四种阶数的MLS信号已经预先计算得到，并已经验证其用于脉冲响应测量的有效性，算法在运行时可直接从存储器上加载。
如图3所示，用于求解脉冲响应信号的脉冲响应信号求解模块；传声器捡拾的信号经M次平均可降低误差，平均后根据所用的MLS激励信号类型，调用已存储好的排序方法进行第一次排序，进行Hadmard运算，再进行第二次排序，最后根据已知的扬声器和传声器特性进行修正得到房间的脉冲响应。因为所涉及的两次排序操作与激励信号序列MLS的样式有关，因此本发明对四种阶数的排序方法都进行了计算，得到四对共八个排序序列，并存储于外部存储器中；当求解房间脉冲响应算法运行时，加载相应阶数的一对排序序列。
如图4所示，用于求解房间声学参数的房间声学参数求解模块；根据计算得到的房间脉冲响应可求房间的声学参数，包括早期混响时间EDT和混响时间T30的求解，在获得房间脉冲响应信号的基础上进行；具体为：首先采用施罗德后向积分算法，把脉冲响应信号转换成声能量衰变曲线的形式；根据能量曲线从0分贝衰减到-10分贝的斜率，推导衰减到-60分贝的时间，此为EDT；根据曲线从-5分贝衰减到-35分贝，推导衰减到-60分贝的时间，此为T30；用户根据需要选择使用EDT或T30，默认使用EDT；频率响应特性曲线则是对脉冲响应做快速傅立叶变换（FFT），得到脉冲响应在频域上的特性。
如图5所示，用于优化房间声学特性的声学特性优化模块；根据计算得到的房间声学参数可求解声学特性优化解决方案，具体为：以房间的长、宽、高为尺寸参数，同时以用户需要的声音特性作为优化目标，求得在某些频率范围所需要增加/降低的吸声量A0。为了调整房间的混响时间，根据房间的吸声面积和体积计算得到在某些倍频程需要增加或降低的吸声量；在房间装修不做改动的情况下，为改善听音区域的声学特性，给出音响系统可在哪些频率范围进行混响和频谱的调整。
以下结合几个实施例进一步说明本算法的实施过程。
（1）尺寸为5.2m×4.2m×3.0m的房间。
此房间的用途为听音室、家庭影院，已配有音响系统，用户要求继续使用现有的音响配置，在此基础上可对房间进行局部装修或对音响特性进行调节，应用本发明实现的过程是：首先判断房间体积较小，室内装修和家具有一定的吸声效果，因此在选用MLS序列进行声源激励时，所选的MLS阶数为声源算法模块中的14阶（44.1kHz，0.37秒）。测量时传声器放置在听音的主要区域，如沙发上约50cm高度的位置。传声器拾取扬声器所发出的MLS信号，经模/数转换后，应用脉冲响应信号求解模块进行脉冲响应求解，因为最终使用原有的音响系统，不需要扬声器修正。如图6所示，在听音区域某一点获得的经传声器均衡的脉冲响应。听音区域上多点平均求得的混响时间参数如下表所示：
  63Hz   125Hz   250Hz   500Hz   1kHz   2kHz   4kHz   8kHz
  EDT(s)   0.51   0.52   0.64   0.52   0.52   0.45   0.43   0.41
根据所获得的混响时间的频率响应，若用户选择对房间进行声学装修，可应用声学特性优化模块，例如选择调整250Hz倍频程的吸音量，则算法可计算得到混响时间降低10%对应增加的吸音量为1.6；同时，用户也可以调整音响系统的特性，即根据所得参数和用户需求对音响系统的频率响应进行调节以改善听音区域的音质。
（2）尺寸为6.5m×3.6m×3.8m的小型会议室。
此小型会议室墙壁为砖墙抹灰，用户要求为其进行声学装修，因为房间较小，无需配备音响或扩音系统。应用本发明所述算法求得房间声学参数的过程是：首先判断房间体积为中小型，房间物件较少，现场观察其混响时间较长，因此在选用MLS序列进行声源激励时，所选的MLS阶数为声源算法模块中的17阶（44.1kHz，2.97秒）。测量时传声器放置在会议进行时与会者的就坐位置。传声器拾取扬声器所发出的MLS信号，经模/数转换后应用脉冲响应信号求解模块进行脉冲响应求解，因为房间的最终使用不需要电声系统或扩音，因此需要进行扬声器和传声器修正，如图7所示，在就坐区域的某一点获得的经均衡的脉冲响应。会议区域上多点平均求得的混响时间参数如下表所示：
  63Hz   125Hz   250Hz   500Hz   1kHz   2kHz   4kHz   8kHz
  EDT(s)   3.38   3.79   2.83   2.52   2.90   2.55   2.37   1.66
根据所获得的混响时间的频率响应，用户选择对房间进行声学装修，可应用声学特性优化模块，例如若为了增加房间的清晰度，用户要求各个频段的混响时间分别降低70%（63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz）和60%（2kHz、4kHz、8kHz），则63Hz到8kHz各倍频程需要的吸声量如下表所示：
  63Hz   125Hz   250Hz   500Hz   1kHz   2kHz   4kHz   8kHz
  吸音量   13.7   12.2   16.4   18.4   16.0   11.7   12.6   18.0
（3）尺寸为15.8m×7.8m×5.0m的多媒体会议室。
此房间用作多媒体会议室，已经完成初步的室内装修，房间使用扩声系统，应用本发明所述算法求得房间声学参数的过程是：首先判断房间体积中等，但室内装修和物件有一定的吸声效果，因此在选用MLS序列进行声源激励时，所选的MLS阶数为声源算法模块中的16阶（44.1kHz，1.47秒）。测量时传声器放置在听众席的主要区域，并使用房间所配置的音响进行测量。传声器拾取扬声器所发出的MLS信号，经模/数转换后应用脉冲响应信号求解模块进行脉冲响应求解，因为测量所用的扬声器为房间自有的配置，不需要进行扬声器修正。如图8所示，在听众席的某一点获得的经传声器均衡的脉冲响应。听众席区域上多点平均求得的混响时间参数如下表所示：
  63Hz   125Hz   250Hz   500Hz   1kHz   2kHz   4kHz   8kHz
  EDT(s)   2.29   3.10   2.34   1.97   2.08   2.17   1.82   1.40
若用户选择对房间进行声学装修，可应用声学特性优化模块，例如选择调整125Hz倍频程的吸音量，则算法可计算得到混响时间降低20%对应增加的吸音量为6.3；用户同时可以对扩音系统的声学特性进行调节，即根据所得参数和用户需求对扩音系统的频率响应进行调节以改善听众席区域的音质。

Claims (10)

1.一种用于测量房间声学参数的系统，其特征在于，包括：
用于信号处理的控制器/浮点运算器；
用于产生激励声源信号最大长度MLS序列的激励声源序列产生模块；
用于求解脉冲响应信号的脉冲响应信号求解模块；
用于求解房间声学参数的房间声学参数求解模块；
用于优化房间声学特性的声学特性优化模块。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量房间声学参数的系统，其特征在于：
所述激励声源序列产生模块可依据房间混响的预估值产生14、15、16和17阶四种阶数的MLS信号；所述脉冲响应信号求解模块根据激励声源序列产生模块产生的激励信号阶数，在44.1KHz的默认采用频率中对应有0.37秒、0.74秒、1.49秒和2.97秒四种长度的房间脉冲响应。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量房间声学参数的系统，其特征在于：
所述房间声学参数包括早期混响时间EDT、混响时间T30和测量点的频率响应特性。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量房间声学参数的系统，其特征在于：
所述声学特性优化模块根据房间大小、声学参数和用户需求，给出房间在何种频率范围需要调整，以及调整的吸声量大小。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量房间声学参数的系统，其特征在于：
所述MLS序列是一种数字伪随机序列，每一个时间采样点的值为“1”或“0”，若阶数为N，序列的采样点总数为2N-1个，序列的时间长度则为（2N-1）/44100（秒）；四种阶数的MLS信号已经预先计算得到，并已经验证其用于脉冲响应测量的有效性，算法在运行时可直接从存储器上加载。
6.一种用于测量房间声学参数的方法，其特征在于：在测量时根据混响的预估值选择其中一种阶数的MLS序列经数/模转换馈给扬声器播放，连续的重复播放次数为M次；同时，传声器捡拾经房间发射、吸收后的信号，经模/数转换后进行一些列的信号处理运算，包括：脉冲响应求解、声学参数求解和声学特性优化求解。
7.根据权利要求6所述的一种用于测量房间声学参数的方法，其特征在于：
已编写好的MLS序列存储于外部存储器中，序列的阶数根据房间混响时间估值有14、15、16和17阶四种，在默认采样频率44.1kHz时对应四种脉冲响应长度：0.37秒、0.74秒、1.49秒和2.97秒。
8.根据权利要求6所述的一种用于测量房间声学参数的方法，其特征在于：
房间脉冲响应求解具体为：传声器捡拾的信号经M次平均可降低误差，平均后根据所用的MLS激励信号类型，调用已存储好的排序方法进行第一次排序，进行Hadmard运算，再进行第二次排序，最后根据已知的扬声器和传声器特性进行修正得到房间的脉冲响应。
9.根据权利要求6所述的一种用于测量房间声学参数的方法，其特征在于：
根据计算得到的房间脉冲响应可求房间的声学参数，包括早期混响时间EDT和混响时间T30的求解，在获得房间脉冲响应信号的基础上进行；具体为：首先采用施罗德后向积分算法，把脉冲响应信号转换成声能量衰变曲线的形式；根据能量曲线从0分贝衰减到-10分贝的斜率，推导衰减到-60分贝的时间，此为EDT；根据曲线从-5分贝衰减到-35分贝，推导衰减到-60分贝的时间，此为T30；用户根据需要选择使用EDT或T30，默认使用EDT；频率响应特性曲线则是对脉冲响应做快速傅立叶变换（FFT），得到脉冲响应在频域上的特性。
10.根据权利要求6所述的一种用于测量房间声学参数的方法，其特征在于：
根据计算得到的房间声学参数可求解声学特性优化解决方案，具体为：以房间的长、宽、高为尺寸参数，同时以用户需要的声音特性作为优化目标，求得在某些频率范围所需要增加/降低的吸声量A0。
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