CN103414991A - 一种室内扩声系统自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内扩声系统自适应调整方法，其包括以下步骤：一、调整输入增益；二、测试输出增益上限；三、调整输出增益；四、检测输出延时并进行延时补偿；五、检测频响并进行频率补偿；六、检测调整以后系统的各项参数；七、输出调整结果。本方案实现了扩声系统的自动调整，无需人工干预，调整后的一致性好。本发明适用于所有的室内扩声系统。

Description

一种室内扩声系统自适应调整方法

 

技术领域

本发明涉及声音处理放大领域，尤其是涉及一种应用于教室、会场等室内环境的室内扩声系统自适应调整方法。

背景技术

在教室、会议安装扩声系统，安装效果和室内建声环境以及扩声设备本声音频特性密切相关，所以以往要保证安装效果必须在安装完毕后通过专业的音响工程师经过复杂的调试后才可以使用，这样会消耗较多的时间和精力，并且由于人的听力不同调试以后的效果难以保持一致性。

中华人民共和国国家知识产权局于2011年09月07日公开了公布号为CN102176766A的专利文献，名称是空间声场音效的检测系统及检测方法，其方法包括：将数台移动终端放置于需要进行音效检测的各个位置，打开主机和移动终端的无线模块；主机和移动终端的无线模块搜索匹配操作，建立无线连接；打开移动终端的声音采集模块，启动空间声场音效检测系统；打开需要调试的音响设备，播放声音；移动终端采集音效信号，反馈给主机；调试人员根据各位置的音效信号调试调音台或音响设备。此方案仍然需要人工进行调试，过程繁琐，精确度和效果一致性难以得到保证。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的一般通过人工来调试扩声系统、自动化程度不够高的技术问题，提供一种可以自动检测并调试扩声系统各部分增益、延时、频响等参数的室内扩声系统自适应调整方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种室内扩声系统自适应调整方法，应用于室内扩声设备上，室内扩声系统包括依次连接的拾音器阵列、音频处理主机和扬声器阵列，音频处理主机包括依次连接的可控输入矩阵、智能采集模块、音频分析模块、DSP处理模块和可控输出矩阵，可控输入矩阵与拾音器阵列连接，可控输出矩阵与扬声器阵列连接；调整方法包括以下步骤：

步骤一、可控输出矩阵根据预设模板值逐通道输出1KHZ测试信号，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，逐步提升可控输入矩阵增益直到采集到每个通道的响度满足预设模板值，预设模板值通过事先导入的方式下载到设备内部；

预设模板值包括各通道输出信号的增益以及每个通道输出时对应需要每个输入通道采集到的响度值；预设模板值可以通过串口或以太网的方式下载到设备。预设模板的取值可以通过手动的方式修改并从设备中通过串口或以太网的方式导出。

步骤二、关闭可控输出矩阵的输出信号，逐渐提高可控输出矩阵增益直到捕捉到第一个嚣叫点，下调可控输出矩阵增益1DB~5DB作为系统的最大输出增益并锁定；

DSP处理模块不通过可控输出矩阵输出额外的信号，此时整个系统中循环的只有环境噪声，当可控输出矩阵的增益达到某个值时，系统会产生嚣叫，这个嚣叫是纯粹由环境噪声引起。一般优选方案为下调可控输出矩阵增益1DB~3DB作为系统的最大输出增益并锁定。

步骤三：通过可控输出矩阵逐通道输出1KHZ测试信号到扬声器阵列；通过拾音器阵列采集室内的声音信号；调整各输出通道的增益直到采集每个通道的响度满足预设模板值；

此处的各输出通道的增益即为可控输出矩阵在各个通道的增益，但是这个增益不能超过步骤二锁定的最大增益。通过这个步骤的调整可以使室内环境的声场均衡度达到最佳。

步骤四、检测出扬声器阵列的输出延时，根据输出延时对室内扩声系统进行延时补偿；

步骤五、通过可控输出矩阵逐次输出20~20KHZ测试信号到扬声器阵列，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，音频分析模块分析声音信号的响度、相位、频率响应和失真度；根据频率响应对室内扩声系统进行频率补偿；

步骤六、重新通过可控输出矩阵逐次输出20~20KHZ测试信号到扬声器阵列，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，音频分析模块分析频率补偿以后声音信号的响度、相位、频率响应和失真度；DSP处理模块根据响度计算出室内环境的声场均衡度，根据相位差计算出延时，根据频率响应和失真度计算出建声环境和扩声设备的匹配情况；此步骤为获知调试后的结果，以便技术人员判断自动调整过程是否正常。

步骤七、测试结束后提示调试结果。

作为优选，检测之前，先进行静态测试，此时扬声器阵列无输出拾音器阵列采集室内的声音信号作为环境声并以此为参考单元，当测试开始时智能采集模块将采集到信号中的环境声自动过滤。

作为优选，分析频率响应具体为：拾音器阵列中的每个拾音器作为一个独立的测试点，设测试点的数量为N，采集每一测试点频率分别为125 Hz、160 Hz、200 Hz、250 Hz、315 Hz、400 Hz、500 Hz、630 Hz、800 Hz、1000 Hz、1250 Hz、1600 Hz、2000 Hz、2500 Hz、3150 Hz和4000Hz对应的增益值，每一频率得到N组数据，计算每一频率N组数据的单一频率平均增益值，通过16个单一频率平均增益值生成被测现场的频响曲线，频响曲线即对应了频率响应情况。

作为优选，声场均衡度包括传输频率特性、不均匀度和平均传声增益.

作为优选，传输频率特性的计算方法为：计算16个单一频率平均增益值的平均值，记为总平均值，分别用频响曲线的最大值和最小值减去总平均值，得到125Hz至4000Hz的传输频率特性。相减后得到两个值与国家标准相比即可得知是否符合要求。

作为优选，不均匀度计算方法为：分别找出1000Hz和4000Hz的N组数据中的最大值与最小值，计算最大值与最小值的差值，对两组差值求平均值，所得到的平均值即为不均匀度。

作为优选，平均传声增益的计算方法为：检测扬声器输出的声源音压及N个测试点实测声压平均值，计算出每一频率的声源音压与测试点声压平均值的差值，得到每一频率的传声增益；计算出所有频率传声增益的平均值，即得到125Hz至4000Hz的平均传声增益。

作为优选，根据相位差计算延时具体为：通过扬声器阵列输出50Hz频率，此时计算通过拾音器测得的波形和输出波形之间的相位差就是系统的输出延时。

作为优选，失真度检测具体为：通过扬声器阵列输出1000Hz波形，将测试点采样回的波形和输出波形做比较，所得结果即为失真度。

作为优选，测试结果通过设备输出的方式包括本机提示和通信提示；本机提示包括通过设备自带的LED提示所连接的拾音器阵列和扬声器阵列的安装效果，通过可控输出矩阵输出的声音提示系统的安装效果；通信提示包括通过串口或以太网口可以和PC相连将详细的测试结果通过数据传输的方式给出；给出的数据包括：声场均衡度、延时、建声环境和扩声设备的匹配情况。

拾音器阵列安装在房间的顶部，所述扬声器阵列的覆盖范围与拾音器阵列的拾音范围互补。

拾音器阵列与音频处理主机连接。

可控输入矩阵内置高速语音处理单元，两级动态降噪处理以及自动调节高强度声音和瞬间冲击音的AGC及DTS降噪信号微处理电路和能够彻底消除“嘶嘶”电子噪音的电子噪声动态闭环抑制电路，能够为后级单元模块提供清晰及高质量音频信号输出。

智能采集模块能够从可控输入矩阵输出的信号中采集到需要的参数单元输送到音频分析模块，其包括有滤波电路、选择电路等部分。

音频分析模块能够分析智能采集模块采集的信号并对信号做出分析，将分析结果输送到下DSP处理模块。

DSP处理模块根据音频分析模块分析的结果对可控输出矩阵的输出进行控制。

扬声器阵列包括若干个型号参数确定的扬声器。扬声器阵列的输入通道和可控输出矩阵输出通道是一一对应的。拾音器阵列包括若干个信号参数确定的拾音器。拾音器阵列的输出通道和可控输入矩阵的输入通道是一一对应的。

本发明带来的实质性效果是，安装完成后无须反复测试打开设备设置到测试模式后，设备会自动检测，并根据检测结果对扩声设备的各部分进行增益调整，获得最佳的扩声效果；检测内容全面，采用本发明也可以给工程验收带来标准化和量化的验收标准，并大大的简化了验收过程。

附图说明

图1是本发明的一室内扩声设备结构示意图；

图2是本发明的一种室内扩声设备位置设置示意图；

图3是本发明的一种室内扩声设备测试方法流程图；

图中：1、拾音器阵列，2、音频处理主机，3、扬声器阵列，21、可控输入矩阵，22、智能采集模块，23、音频分析模块，24、DSP处理模块，25、可控输出矩阵。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种室内扩声设备测试方法，应用在室内扩声设备上。室内扩声设备如图1所示，包括拾音器阵列1、音频处理主机2和扬声器阵列3，拾音器阵列1与音频处理主机2连接，音频处理主机2与扬声器3阵列连接。音频处理主机2包括依次连接的可控输入矩阵21、智能采集模块22、音频分析模块23、DSP处理模块24和可控输出矩阵25。可控输入矩阵21与拾音器阵列1连接，可控输出矩阵25与扬声器阵列3连接。

采用标准教室（教室的长/宽/高分别为：8.9/7.9/3.3M）进行测试，测试音频频率分别为250、500、1000Hz，在教室讲台正前方1~8米和斜前方1~8米传播的衰减量大约为前3米5db/m，大于3米则为2db/m。普通人说话响度在45db~60db，正常人能舒服的倾听的响度下限在20~30db，则教室内老师直达声可以清晰传递的范围是以讲台为圆心半径3~5米的圆型面积，我们大这个范围定义为“直达声授课区域”。在这个范围以外的区域定义为“补声授课区域”。扬声器阵列和拾音器阵列的布设如图2所示，虚线框为教师授课区，圆形为拾音器设置位置，矩形为扬声器设置位置。在补声授课区域内设置由多个传声器组成的扬声器阵列，为了不使局部声强过大，每个扬声器功率都控制在3~8W之间，保证每扬声器输出的响度在45db~50db，这样每个扬声器的有效覆盖范围都是个半径3米的圆型面积，可以根据教室的实际大小和外部环境按照上述原则配置扬声器。由于到任意最近的扬声器之间的距离小于3米所以即使同时被2个扬声器有效覆盖范围覆盖也不会觉得有回声的效果，声场保持均匀。同时拾音装置在出厂的时候对于有效拾音范围已经做出固化，大约是半径5米的圆型面积，正好可以覆盖直达声授课区域，配置扬声器的时候使声场不覆盖直达声授课区域，这样可以使直达声场和补声声场不重叠，提高整体声场环境。

在教师的主要授课区域上方的教室顶部安装高灵敏拾音器，拾音范围覆盖直达声授课区域，在补声授课区域均匀的使用扬声器阵列，声场覆盖补声授课区域。即扬声器阵列的声场不覆盖传声器拾音范围保证扬声器发出的声音不会被2次采集并放大产生嚣叫，扬声器阵列的声场不覆盖教师直达声有效覆盖范围，避免声场重叠产生回声效果，扬声器阵列的声场均匀覆盖教师直达声有效覆盖范围以外的范围保证教室里所有的学生都可以清晰的听到老师的讲课内容。

如图3所示，调整方法包括以下步骤：

步骤一、可控输出矩阵根据预设模板值逐通道输出1KHZ测试信号，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，逐步提升可控输入矩阵增益直到采集的响度满足预设模板值，预设模板值通过事先导入的方式下载到设备内部；

预设模板值包括各通道输出信号的增益以及每个通道输出时对应需要每个输入通道采集到的响度值；预设模板值可以通过串口或以太网的方式下载到设备。预设模板的取值可以通过手动的方式修改并从设备中通过串口或以太网的方式导出。

步骤二、关闭可控输出矩阵的输出信号，逐渐提高可控输出矩阵增益直到捕捉到第一个嚣叫点，下调可控输出矩阵增益1DB~5DB作为系统的最大输出增益并锁定；

DSP处理模块不通过可控输出矩阵输出额外的信号，此时整个系统中循环的只有环境噪声，当可控输出矩阵的增益达到某个值时，系统会产生嚣叫，这个嚣叫是纯粹由环境噪声引起。一般优选方案为下调可控输出矩阵增益1DB~3DB作为系统的最大输出增益并锁定。

步骤三：通过可控输出矩阵逐通道输出1KHZ测试信号到扬声器阵列；通过拾音器阵列采集室内的声音信号；调整各输出通道的增益直到采集每个通道的响度满足预设模板值；

此处的各输出通道的增益即为可控输出矩阵在各个通道的增益，但是这个增益不能超过步骤二锁定的最大增益。通过这个步骤的调整可以使室内环境的声场均衡度达到最佳。

步骤四、检测出扬声器阵列的输出延时，根据输出延时对室内扩声系统进行延时补偿；

步骤五、通过可控输出矩阵逐次输出20~20KHZ测试信号到扬声器阵列，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，音频分析模块分析声音信号的响度、相位、频率响应和失真度；根据频率响应对室内扩声系统进行频率补偿；

步骤六、重新通过可控输出矩阵逐次输出20~20KHZ测试信号到扬声器阵列，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，音频分析模块分析频率补偿以后声音信号的响度、相位、频率响应和失真度；DSP处理模块根据响度计算出室内环境的声场均衡度，根据相位差计算出延时，根据频率响应和失真度计算出建声环境和扩声设备的匹配情况；

步骤七、测试结束后提示调试结果。

检测之前，先进行静态测试，此时扬声器阵列无输出拾音器阵列采集室内的声音信号作为环境声并以此为参考单元，当测试开始时智能采集模块将采集到信号中的环境声自动过滤。

根据响度推算出室内环境的声场均衡度的办法：

以每个拾音器作为一个独立的测试点，假设测试点数量为N，使用RTA（实时分析器Real Time Analyzer）模式对N点进行实测，并将每一点的RTA数据存入设备内存中的数据库。打开这些数据文件，选取每一测试点频率分别为125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000Hz所对应的RTA值，每一频率得到N组数据，计算出每一频率N组数据的平均值。通过这些平均值可生成被测现场的“实测房间频响曲线”。

将每一频率对应的平均值列出后，再通过这些数据计算出所有频率空间的平均值（即这些平均值的平均值）。并分别用源数据列表中的最大（小）值减去所有频率空间平均值，即可得出125Hz—4000 Hz的传输频率特性。其标准指标详见扩音系统建声规范。

播放频率为1000 Hz和4000 Hz的音源，分别对N点实测。找出每一频率的N组数据中的最大值与最小值，算出差值。对两组差值求平均值，所得到有平均值即为不均匀度。

测出音源（扬声器）输出的音压及N点实测声压平均值，计算出每一频率的声源音压与测点平均值声压的差值，即得到每一频率的传声增益。再计算出所有频率传声增益的平均值，得出125 Hz—4000 Hz的平均传声增益。

用SLM（瞬时音压）模式，测出测点背景噪声的平均值。

以上测试所得数据，作为该测试场地的声场衡度。

根据相位差推算出延时的办法：

由于声速 = 340.29 m / s，假设房间内最近的拾音器和扬声器的距离不超过5米那理论上在房间空间内传播的声音从最近点到最远点的最大传输延时小于15ms，于是通过扬声器阵列输出50Hz频率，由于频率的周期为20ms也就是说此时通过拾音器测得的波形和输出波形的相位差就是系统的输出延时。

根据频率响应和失真度推算出建声环境和扩声设备的匹配情况的办法：

以每个拾音器作为一个独立的测试点，测试出20~20KHz范围内的“实测房间频响曲线”方法同上。如果频响曲线越平直说明建声环境和扩声设备的匹配度越好反之就越差。

失真度的测试方法：通过扬声器阵列输出1000Hz波形将测试点采样回的波形和输出波形做比较误差越小说明建声环境和扩声设备的匹配度越好反之就越差。

嚣叫捕捉情况推算出系统的最大传声增益的办法：

由于建筑环境和安装环境以及设备的音频特性都是固定的所以系统产生的第一个嚣叫点一定是某个固定的频率，于是保持室内无其它音源的前提下逐渐提高设备的输出增益，直至嚣叫此时通过测试点可以捕捉到一个固定的频率，把当前的输出增益衰减1~2DB就是系统的最大传声增益。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了可控输出矩阵、增益、响度等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1. 一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，应用于室内扩声设备上，室内扩声系统包括依次连接的拾音器阵列、音频处理主机和扬声器阵列，音频处理主机包括依次连接的可控输入矩阵、智能采集模块、音频分析模块、DSP处理模块和可控输出矩阵，可控输入矩阵与拾音器阵列连接，可控输出矩阵与扬声器阵列连接；检测方法包括以下步骤：

步骤一、可控输出矩阵根据预设模板值逐通道输出1KHZ测试信号，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，逐步提升可控输入矩阵增益直到采集到每个通道的响度满足预设模板值，预设模板值通过事先导入的方式下载到设备内部；

步骤二、关闭可控输出矩阵的输出信号，逐渐提高可控输出矩阵增益直到捕捉到第一个嚣叫点，下调可控输出矩阵增益1DB~5DB做为系统的最大输出增益并锁定；

步骤三、通过可控输出矩阵逐通道输出1KHZ测试信号到扬声器阵列；通过拾音器阵列采集室内的声音信号；调整各输出通道的增益直到采集到每个通道的响度满足预设模板值；

步骤四、检测出扬声器阵列的输出延时，根据输出延时对室内扩声系统进行延时补偿；

步骤五、通过可控输出矩阵逐次输出20~20KHZ测试信号到扬声器阵列，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，音频分析模块分析声音信号的响度、相位、频率响应和失真度；根据频率响应对室内扩声系统进行频率补偿；

步骤六、重新通过可控输出矩阵逐次输出20~20KHZ测试信号到扬声器阵列，通过拾音器阵列采集室内的声音信号，音频分析模块分析频率补偿以后声音信号的响度、相位、频率响应和失真度；DSP处理模块根据响度计算出室内环境的声场均衡度，根据相位差计算出延时，根据频率响应和失真度计算出建声环境和扩声设备的匹配情况；

步骤七、测试结束后提示调试结果。

2.根据权利要求1所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，检测之前，先进行静态测试，此时扬声器阵列无输出拾音器阵列采集室内的声音信号作为环境声并以此为参考单元，当测试开始时智能采集模块将采集到信号中的环境声自动过滤。

3.根据权利要求1或2所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，检测频率响应具体为：拾音器阵列中的每个拾音器作为一个独立的测试点，设测试点的数量为N，采集每一测试点频率分别为125 Hz、160 Hz、200 Hz、250 Hz、315 Hz、400 Hz、500 Hz、630 Hz、800 Hz、1000 Hz、1250 Hz、1600 Hz、2000 Hz、2500 Hz、3150 Hz和4000Hz对应的增益值，每一频率得到N组数据，计算每一频率N组数据的单一频率平均增益值，通过16个单一频率平均增益值生成被测现场的频响曲线，频响曲线即对应了频率响应情况。

4.根据权利要求3所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，声场均衡度包括传输频率特性、不均匀度和平均传声增益。

5.根据权利要求4所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，传输频率特性的计算方法为：计算16个单一频率平均增益值的平均值，记为总平均值，分别用频响曲线的最大值和最小值减去总平均值，得到125Hz至4000Hz的传输频率特性。

6.根据权利要求4所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，不均匀度计算方法为：分别找出1000Hz和4000Hz的N组数据中的最大值与最小值，计算最大值与最小值的差值，对两组差值求平均值，所得到的平均值即为不均匀度。

7.根据权利要求4所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，平均传声增益的计算方法为：检测扬声器输出的声源音压及N个测试点实测声压平均值，计算出每一频率的声源音压与测试点声压平均值的差值，得到每一频率的传声增益；计算出所有频率传声增益的平均值，即得到125Hz至4000Hz的平均传声增益。

8.根据权利要求3所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，计算输出延时具体为：通过扬声器阵列输出50Hz频率，此时计算通过拾音器测得的波形和输出波形之间的相位差就是系统的输出延时。

9.根据权利要求3所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，失真度检测具体为：通过扬声器阵列输出1000Hz波形，将测试点采样回的波形和输出波形做比较，所得结果即为失真度。

10.根据权利要求4所述的一种室内扩声系统自适应调整方法，其特征在于，测试结果通过设备输出的方式包括本机提示和通信提示；本机提示包括通过设备自带的LED提示所连接的拾音器阵列和扬声器阵列的安装效果，通过可控输出矩阵输出的声音提示系统的安装效果；通信提示包括通过串口或以太网口可以和PC相连将详细的测试结果通过数据传输的方式给出；给出的数据包括：声场均衡度、延时、建声环境和扩声设备的匹配情况。

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