CN103916810A - 一种时域声能量对比控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时域声能量对比控制方法，包括：布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；给合频率响应一致性约束表达式和平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

Description

一种时域声能量对比控制方法和系统

技术领域

本发明涉及声学领域，特别涉及一种时域声能量对比控制方法和系统。

背景技术

声能量对比控制方法被广泛应用于电视机、电脑和手机等个人音频系统领域。声能量对比控制方法能够在不打扰其它用户(暗区)的情况下将大部分声能量聚集在用户周围(明区)，从而为用户打造个性化聆听空间，提高生活品质。

现有技术中的声能量对比控制方法主要分为两大类：频域设计和时域设计。无论是频域声能量对比控制方法还是时域声能量对比控制方法都有各自的缺陷。

(1)、现有技术中的频域声能量对比控制方法通常只计算一系列离散控制频率点上的最优系数，然后通过直接对频域系数进行逆傅里叶变换得到时域冲激响应滤波器信号，因此时域冲激响应滤波器信号的因果性无法得到保证。这使得现有技术中的频域声能量对比控制方法在非选定频率点上的对比聚焦效果下降，并且在不同的频率点上有不同的响应从而无法在明区得到较好的音质。

(2)、现有技术中的时域声能量对比控制方法直接在时域中设计，避免了时域冲激响应滤波器信号的非因果性问题，因此可以部分解决频域声能量对比控制方法在非控制频率点对比聚焦效果下降的问题。但是现有技术中的时域声能量对比控制方法仍然没有考虑频率响应一致性的问题，通常会导致在明区的音质下降。

现有技术中的声能量对比控制方法所存在的这些问题造成了在个人音频系统中并不适合处理宽带信号输入，降低了用户区域的音质，在暗区中泄露更多的声能量，无法为用户营造个性化的私人聆听空间。针对现有声能量对比控制方法中存在的音质和宽带对比聚焦能力下降的问题，需要寻找更为简便有效的方法来改善其音质和宽带对比聚焦能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的声能量对比控制方法所存在的音质和宽带对比聚焦能力下降的问题，从而提供一种能够改善其音质和宽带对比聚焦能力的时域声能量对比控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种时域声能量对比控制方法，包括：

步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；

步骤2)、选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；

步骤3)、分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；

步骤4)、给合步骤2)的频率响应一致性约束表达式和步骤3)中的平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，所布放的扬声器阵列为线性阵列或圆形阵列或随机阵列。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，所述明区或暗区的区域形状是方形或圆形或线型。

上述技术方案中，所述步骤2)包括：

步骤2-1)、获得扬声器第l通道到明区的第k个控制点在频率f处的传递函数g_Blk(f)，其中，1≤l≤L，1≤k≤K，K和L分别为明区的控制点个数和扬声器通道个数；

步骤2-2)、根据步骤2-1)所得到的传递函数g_Blk(f)，列出扬声器阵列到明区第k个控制点的频率响应p_Bk(f)，其表达式如下：

$p_{\mathrm{Bk}}\left(f\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\πfm}{T}_s}]\·g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right)$

其中T_s是采样时间间隔，也是采样频率f_s的倒数，w_l(m)是对应第l通道扬声器的时域冲激响应滤波器的待求的第m个系数，M是时域冲激响应滤波器的长度；

步骤2-3)、将步骤2-2)所得到的频率响应p_Bk(f)写成向量形式：

p_Bk(f)＝w^Ts_Bk(f)

其中w为待求的ML×1向量，定义为：

w＝[w₁(0),…,w₁(M-1),…,w_L(0),…,w_L(M-1)]^T

s_Bk(f)为ML×1向量，定义为：

${s_{\mathrm{Bk}}=[g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right),\·\·\·,g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right)e^{{-j2\mathrm{\πf}(M-1)T}_s},\·\·\·g_{\mathrm{BLk}}\left(f\right),\·\·\·,g_{\mathrm{BLK}}\left(f\right)e^{{-j2\mathrm{\πf}(M-1)T}_s}]}^T$

步骤2-4)、选定参考频率f_r，根据之前得到的频率响应，定义明区的频率响应一致性约束RV，该频率响应一致性约束的表达式为：

其中是取元素的实数部分，Ω是所有约束频率点的集合 是取不超过元素的最大整数，f_c是集合Ω中的一个约束频率点，B_Ω是约束频率点的个数；Q的表达式为：

$Q=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{KB}}_{\mathrm{\Ω}}}}\left(\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{Bl}}\left(f_c\right)-s_{\mathrm{Bl}}\left(f_r\right)\\ .\\ .\\ .\\ s_{\mathrm{BK}}\left(f_c\right)-s_{\mathrm{BK}}\left(f_r\right)\end{array}\right).$

上述技术方案中，在所述的步骤2-1)中，采用诸如B&K PULSE的音频测试仪器或者通过建模仿真获得所述扬声器第l通道到明区的第k个控制点在频率f处的传递函数g_Blk(f)。

上述技术方案中，所述步骤3)包括：

步骤3-1)、将扬声器第l通道到明区的第k个控制点之间的冲激响应建模成一个长度为I的FIR滤波器，并采用诸如B&K PULSE的音频测试仪器或者通过建模仿真获得其系数，定义该FIR滤波器第i个系数为h_Blk(i)；

步骤3-2)、假设输入给扬声器系统的信号为x(n)，则在明区第k个控制点的输出信号为

$y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(m\right)\·[\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{Blk}}\left(i\right)\·x(n-m-i)]$

$=w^T{r}_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)$

其中，r_Bk是ML×1向量，可定义如下：

r_Bk(n)＝[r_Blk(n),...r_Blk(n-M+1),…,r_BLk(n),…,r_BLk(n-M+1)]^T

$r_{\mathrm{Blk}}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{Blk}}\left(i\right)\·x(n-i);$

步骤3-3)、假设输入信号x(n)为稳态信号，则在步骤3-2)中输出信号y_Bk(n)表达式的基础上，定义明区的平均声能量为：

$e_B=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}E\{y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\·y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\}=w^{T}E\{\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{Bk}}^T\left(n\right)\·r_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\}w=w^{T}E\left\{R_B^T\left(n\right)R_B\left(n\right)\right\}w$

其中E{·}代表取元素的期望值，R_B(n)表达式如下：

$R_B\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{K}}\left[\begin{array}{c}{r}_{B1}^T\\ .\\ .\\ .\\ r_{\mathrm{BK}}^T\end{array}\right];$

步骤3-4)、将扬声器第l通道到暗区的第k_D个控制点之间的响应建模成一个长度为I的FIR滤波器，则其第i个系数定义为假设输入给扬声器系统的信号为x(n)，则在暗区第k_D个控制点的输出信号为

$y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)=w^T{r}_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)$

其中，1≤k_D≤K_D，K_D为暗区控制点个数，是ML×1向量：

$r_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)={[r_{{D1k}_D}\left(n\right),\·\·\·r_{{D1k}_D}(n-M+1),\·\·\·,r_{{\mathrm{DLk}}_D}\left(n\right),\·\·\·,r_{{\mathrm{DLk}}_D}(n-M+1)]}^T;$

$r_{{\mathrm{Dlk}}_D}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{{\mathrm{Dlk}}_D}\left(i\right)\·x(n-i);$

定义暗区的平均声能量为：

$e_D=\frac{1}{K_D}\underset{k_D=1}{\overset{K_D}{\mathrm{\Σ}}}E\{y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)\·y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)\}=w^{T}E\left\{R_D^T\left(n\right)R_D\left(n\right)\right\}w;$

其中 $R_D\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{K_D}}\left[\begin{array}{c}{r}_{D1}^T\\ .\\ .\\ .\\ r_{{\mathrm{DK}}_D}^T\end{array}\right].$

上述技术方案中，所述的步骤4)包括：

步骤4-1)、结合步骤2)给出的频率响应一致性约束的表达式和步骤3)给出平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，列出其优化问题为：

$\underset{w}{\max }\frac{e_B}{e_D+{\mathrm{\δw}}^{T}w+\mathrm{\βRV}}=\frac{w^{T}E\left\{R_B^T\left(n\right)R_B\left(n\right)\right\}w}{w^{T}E\left\{R_D^T\left(n\right)R_D\left(n\right)\right\}w+\mathrm{\δ}{w}^{T}w+\mathrm{\βRV}}$

步骤4-2)、对步骤4-1)所得到的优化问题求出其解：

其中P_max{·}是求解矩阵对应最大特征值的单位特征向量，U为单位矩阵，δ为鲁棒性参数，β为权重参数；参数δ和β都取正数；

步骤4-3)、将步骤4-2)所得到的向量w按每隔M个元素进行切割，得到各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

本发明还提供了一种时域声能量对比控制系统，包括：

扬声器阵列布放模块，用于布放扬声器阵列，并设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；

频率响应一致性约束表达式获取模块，用于选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；

平均声能量表达式获取模块，用于分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；

时域冲激响应滤波器信号计算模块，用于给合所述频率响应一致性约束表达式获取模块所得到的频率响应一致性约束表达式和平均声能量表达式获取模块所得到的平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

本发明的优点在于：

1、本发明直接在时域中设计，避免了常规频域声能量对比控制设计方法中由逆傅里叶变换得到的时域冲激响应滤波器信号的非因果性。

2、相比于常规声能量对比控制设计方法，在相同配置情况下，本发明的宽带信号对比聚焦能力会远大于常规声能量对比控制方法的宽带信号比聚焦能力。

3、本发明加入频率响应一致性约束，使得明区的频率响应平坦度加强，从而改善了明区的音质。

4、本发明的声能量对比控制方法能够广泛应用于电视机，电脑和手机等个人音频领域，在宽带信号输入时，能够提高明区的音质，并取得较好的聚焦能力，从而营造出较好的私人聆听空间。

附图说明

图1是本发明的基于频率响应一致性约束的时域声能量对比控制方法的流程图；

图2是在一个实施例中，线性扬声器阵列的布放示意图；

图3(a)为扬声器第三通道到明区中心控制点的频率响应的示意图；

图3(b)为扬声器第三通道到明区中心控制点的冲激响应的示意图；

图4(a)为本发明方法与现有频域方法在宽带信号上的对比聚焦性能的比较示意图；

图4(b)为本发明方法与现有时域方法在宽带信号上的对比聚焦性能的比较示意图；

图5为本方法和现有技术中的声能量对比控制方法在明区中心控制点处的频率响应的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的基本思想是直接在时域中进行设计，并利用频率一致性约束，改善明区控制点的频率响应平坦度，从而使声能量对比控制方法在明区能够改善音质，同时提高了宽带信号的对比聚焦能力。基于上述思想设计的本发明的方法消除了现有技术中的声能量控制方法存在的音质下降和宽带信号聚焦能力的下降问题。

参考图1，本发明的基于频率响应一致性约束的时域声能量对比控制方法包括以下步骤：

步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；

步骤2)、选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；

步骤3)、分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；

步骤4)、给合步骤2)的频率响应一致性约束表达式和步骤3)中的平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

下面对本发明方法中的各个步骤做进一步的描述。

在所述的步骤1)中，所布放的扬声器阵列为线性阵列或圆形阵列，也可以为随机阵列。所述明区或暗区的区域形状可以是方形或圆形，也可以是线型。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

步骤2-1)、采用B&K PULSE等音频测试仪器或者通过建模仿真获得扬声器第l(1≤l≤L)通道到明区的第k(1≤k≤K)个控制点在频率f处的传递函数g_Blk(f)，其中，K和L分别为明区的控制点个数和扬声器通道个数；

步骤2-2)、根据步骤2-1)所得到的传递函数g_Blk(f)，列出扬声器阵列到明区第k个控制点的频率响应p_Bk(f)，其表达式如下：

$p_{\mathrm{Bk}}\left(f\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\πfm}{T}_s}]\·g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right)$

其中T_s是采样时间间隔，也是采样频率f_s的倒数，w_l(m)是对应第l通道扬声器的时域冲激响应滤波器的待求的第m个系数，M是时域冲激响应滤波器的长度；

步骤2-3)、将步骤2-2)所得到的频率响应p_Bk(f)写成向量形式：

p_Bk(f)＝w^Ts_Bk(f)

其中w为待求的ML×1向量，定义为：

w＝[w₁(0),…,w₁(M-1),…,w_L(0),…,w_L(M-1)]^T

s_Bk(f)为ML×1向量，定义为：

${s_{\mathrm{Bk}}=[g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right),\·\·\·,g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right)e^{{-j2\mathrm{\πf}(M-1)T}_s},\·\·\·g_{\mathrm{BLk}}\left(f\right),\·\·\·,g_{\mathrm{BLK}}\left(f\right)e^{{-j2\mathrm{\πf}(M-1)T}_s}]}^T$

步骤2-4)、选定参考频率f_r，根据之前得到的频率响应，定义明区的频率响应一致性约束RV，该频率响应一致性约束的表达式为：

其中是取元素的实数部分，Ω是所有约束频率点的集合 是取不超过元素的最大整数，f_c是集合Ω中的一个约束频率点，B_Ω是约束频率点的个数。Q的表达式为：

$Q=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{KB}}_{\mathrm{\Ω}}}}\left(\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{Bl}}\left(f_c\right)-s_{\mathrm{Bl}}\left(f_r\right)\\ .\\ .\\ .\\ s_{\mathrm{BK}}\left(f_c\right)-s_{\mathrm{BK}}\left(f_r\right)\end{array}\right)$

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

步骤3-1)、将扬声器第l通道到明区的第k个控制点之间的冲激响应建模成一个长度为I的FIR滤波器，并采用B&K PULSE等音频测试仪器或者通过建模仿真获得其系数，定义该FIR滤波器第i个系数为h_Blk(i)。

步骤3-2)、假设输入给扬声器系统的信号为x(n)，则在明区第k个控制点的输出信号为

$y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(m\right)\·[\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{Blk}}\left(i\right)\·x(n-m-i)]$

$=w^T{r}_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)$

其中，r_Bk是ML×1向量，可定义如下：

r_Bk(n)＝[r_Blk(n),…r_Blk(n-M+1),…,r_BLk(n),…,r_BLk(n-M+1)]^T

$r_{\mathrm{Blk}}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{Blk}}\left(i\right)\·x(n-i)$

步骤3-3)、假设输入信号x(n)为稳态信号，则在步骤3-2)中输出信号y_Bk(n)表达式的基础上，明区的平均声能量定义为：

$e_B=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}E\{y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\·y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\}=w^{T}E\{\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{Bk}}^T\left(n\right)\·r_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\}w=w^{T}E\left\{R_B^T\left(n\right)R_B\left(n\right)\right\}w$

其中E{·}代表取元素的期望值，R_B(n)表达式如下：

$R_B\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{K}}\left[\begin{array}{c}{r}_{B1}^T\\ .\\ .\\ .\\ r_{\mathrm{BK}}^T\end{array}\right];$

步骤3-4)、与明区类似，将扬声器第l通道到暗区的第k_D个控制点之间的响应同样建模成一个长度为I的FIR滤波器，则其第i个系数定义为假设输入给扬声器系统的信号为x(n)，则在暗区第k_D(1≤k_D≤K_D，K_D为暗区控制点个数)个控制点的输出信号为

$y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)=w^T{r}_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)$

其中，是ML×1向量，与r_Bk定义类似：

$r_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)={[r_{{D1k}_D}\left(n\right),\·\·\·r_{{D1k}_D}(n-M+1),\·\·\·,r_{{\mathrm{DLk}}_D}\left(n\right),\·\·\·,r_{{\mathrm{DLk}}_D}(n-M+1)]}^T$

$r_{{\mathrm{Dlk}}_D}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{{\mathrm{Dlk}}_D}\left(i\right)\·x(n-i)$

同理，暗区的平均声能量可以定义为

$e_D=\frac{1}{K_D}\underset{k_D=1}{\overset{K_D}{\mathrm{\Σ}}}E\{y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)\·y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)\}=w^{T}E\left\{R_D^T\left(n\right)R_D\left(n\right)\right\}w$

R_D(n)的定义与R_B(n)类似。

所述的步骤4)具体包括以下步骤：

步骤4-1)、结合步骤2)给出的频率响应一致性约束的表达式和步骤3)给出平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，列出其优化问题为：

$\underset{w}{\max }\frac{e_B}{e_D+{\mathrm{\δw}}^{T}w+\mathrm{\βRV}}=\frac{w^{T}E\left\{R_B^T\left(n\right)R_B\left(n\right)\right\}w}{w^{T}E\left\{R_D^T\left(n\right)R_D\left(n\right)\right\}w+\mathrm{\δ}{w}^{T}w+\mathrm{\βRV}}$

步骤4-2)、对步骤4-1)所得到的优化问题求出其解：

其中P_max{·}是求解矩阵对应最大特征值的单位特征向量，U为单位矩阵，δ为鲁棒性参数，β为权重参数；参数δ和β都取正数。

步骤4-3)、将步骤4-2)所得到的向量w按每隔M个元素进行切割，得到各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的方法作进一步详细描述。

在一个实施例中，如图2所示，在中国科学院声学研究所全消声室内，放置一线性扬声器阵列，明区和暗区处在扬声器阵列中垂线上左右各45度方向，距离扬声器阵列间距离都为1m，并与扬声器阵列处于同一水平面上；其中扬声器阵列由8个动圈式惠威扬声器组成，间距为12cm，扬声器单元最大功率为15W，额定阻抗8Ω；明区和暗区的控制点都由5元传声器阵列定义，间隔为8cm，传声器为丹麦B&K公司的4189传声器；实验选用的硬件装置为功放、PULSE测量仪和PC机。

本实施例的具体实施过程包括以下几步：

(1)系统采样率f_s设为8kHz，时域冲激响应滤波器信号的长度M设为100。首先测量扬声器阵列到明区控制点和暗区控制点的传递函数，这可以通过PULSE仪器直接测量扬声器阵列到各个控制点的频响应函数得到，频率间隔为10Hz。扬声器阵列到明区和暗区控制点的冲激响应可以直接通过对频响应函数做逆傅里叶变换得到，其长度为800。图3(a)为扬声器第三通道到明区中心控制点的频率响应的示意图，图3(b)为扬声器第三通道到明区中心控制点的冲激响应的示意图。从图中可以看出，在考虑的频带频响应比较平坦。这里系统采样率f_s设为8kHz，只考虑人声频段，因此系统里接了一个固定的低通滤波器模块，截止频率设在了3.5kHz，这也保证了直接从频响应获得冲激响应的因果性。

(2)选定参考频率f_r为1kHz，约束频率点f_c为[80，80×2，…80×49]Hz，列出频率响应一致性的约束表达式。

(3)假定扬声器阵列系统的输入信号x(n)为白噪声，即满足：

$E\left\{x\left(n_1\right)x\left(n_2\right)\right\}=\left\{\begin{array}{cc}1& n_1=n_2\\ 0& n_1\≠n_2\end{array}\right.$

基于上述白噪声假设，列出在明区和暗区的声能量表达式。

(4)按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制，计算出权向量w，其中δ取0.05，β取0.05。

(5)将向量w按每隔M个元素进行切割，得到各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

图4给出了本发明方法在宽带信号上的对比聚焦性能，并与现有技术中的方法做了比较(为了看的更清楚，图中分开进行比较，图4(a)为本发明方法与现有频域方法的比较，图4(b)为本发明方法与现有时域方法的比较)。从图中可以看出，现有技术中的频域声能量对比控制方法的宽带聚焦效果最差，在某些频率点对比聚焦性能急剧下降，只有有限的控制点取得较好的效果，而现有技术中的时域声能量对比控制方法可以部分解决对比聚焦性能下降的问题，经过对比，可以看出，本发明的方法具有最好的聚焦效果。这表明相比于现有技术中的声能量对比控制方法，本方法更适合处理宽带信号输入。

图5分别给出了本方法和现有技术中的声能量对比控制方法在明区中心控制点处的频率响应。从图中可以看出，现有技术中的频域声能量控制方法振荡幅度大，而现有技术中的时域声能量控制方法则最差，整个频谱趋向于线谱，而采用本发明方法的频率响应最平坦，因此能极大改善音质。

改善音质可以通过PESQ(Perceptual evaluation of speech quality)分数来评估，PESQ的分值为0到4.5分之间，0代表最差，4.5代表最好，处理后的语音与原语音只有纯延迟。这里采用的两个语音信号采样率为8kHz，分别命名为e1和e2，e1和e2的内容分别是“the birch canoe slid on the smooth planks”和“glue the sheet to thedark blue background”，由男声朗读。表1给出了明区中心控制点处产生的语音音质PESQ分数，从表中可以看出，现有技术中的声能量对比控制方法对语音音质有损害，而相比于现有技术中的声能量对比控制方法，本发明的方法极大改善了语音音质，几乎可以将语音音质恢复成原始语音的音质。

表1明区中心控制点处产生的语音音质评价，采用PESQ分数

	本发明方法	现有技术方法(时域)	现有技术方法(频域)
				e1	4.270	2.907	3.040
e2	4.305	2.824	3.030

本实施例中虽然限定了采样频率为8kHz，并选定明区和暗区为线型区域，但这仅仅是对本发明所提供方法的一个举例说明，并不限定本发明所提供方法仅适用人说话声频率范围内，或者明区，暗区只能选择线型。事实上，本发明所提供方法能够拓展到整个可听声频率段的宽带信号并实现声能量对比聚焦。

本发明还提供了一种与方法相对应的系统，包括：

扬声器阵列布放模块，用于布放扬声器阵列，并设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；

频率响应一致性约束表达式获取模块，用于选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；

平均声能量表达式获取模块，用于分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；

时域冲激响应滤波器信号计算模块，用于给合所述频率响应一致性约束表达式获取模块所得到的频率响应一致性约束表达式和平均声能量表达式获取模块所得到的平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种时域声能量对比控制方法，包括：

步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；

步骤2)、选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；

步骤3)、分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；

步骤4)、给合步骤2)的频率响应一致性约束表达式和步骤3)中的平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

2.根据权利要求1所述的时域声能量对比控制方法，其特征在于，在所述的步骤1)中，所布放的扬声器阵列为线性阵列或圆形阵列或随机阵列。

3.根据权利要求1所述的时域声能量对比控制方法，其特征在于，在所述的步骤1)中，所述明区或暗区的区域形状是方形或圆形或线型。

4.根据权利要求1所述的时域声能量对比控制方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

步骤2-1)、获得扬声器第l通道到明区的第k个控制点在频率f处的传递函数g_Blk(f)，其中，1≤l≤L，1≤k≤K，K和L分别为明区的控制点个数和扬声器通道个数；

步骤2-2)、根据步骤2-1)所得到的传递函数g_Blk(f)，列出扬声器阵列到明区第k个控制点的频率响应p_Bk(f)，其表达式如下：

$p_{\mathrm{Bk}}\left(f\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(m\right)\·e^{-j2\mathrm{\πfm}{T}_s}]\·g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right)$

其中T_s是采样时间间隔，也是采样频率f_s的倒数，w_l(m)是对应第l通道扬声器的时域冲激响应滤波器的待求的第m个系数，M是时域冲激响应滤波器的长度；

步骤2-3)、将步骤2-2)所得到的频率响应p_Bk(f)写成向量形式：

p_Bk(f)＝w^Ts_Bk(f)

其中w为待求的ML×1向量，定义为：

w＝[w₁(0),…,w₁(M-1),…,w_L(0),…,w_L(M-1)]^T

s_Bk(f)为ML×1向量，定义为：

${s_{\mathrm{Bk}}=[g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right),\·\·\·,g_{\mathrm{Blk}}\left(f\right)e^{{-j2\mathrm{\πf}(M-1)T}_s},\·\·\·g_{\mathrm{BLk}}\left(f\right),\·\·\·,g_{\mathrm{BLK}}\left(f\right)e^{{-j2\mathrm{\πf}(M-1)T}_s}]}^T$

步骤2-4)、选定参考频率f_r，根据之前得到的频率响应，定义明区的频率响应一致性约束RV，该频率响应一致性约束的表达式为：

其中是取元素的实数部分，Ω是所有约束频率点的集合f_c是集合Ω中的一个约束频率点，是取不超过元素的最大整数，B_Ω是约束频率点的个数；Q的表达式为：

$Q=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{KB}}_{\mathrm{\Ω}}}}\left(\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{Bl}}\left(f_c\right)-s_{\mathrm{Bl}}\left(f_r\right)\\ .\\ .\\ .\\ s_{\mathrm{BK}}\left(f_c\right)-s_{\mathrm{BK}}\left(f_r\right)\end{array}\right).$

5.根据权利要求4所述的时域声能量对比控制方法，其特征在于，在所述的步骤2-1)中，采用诸如B&K PULSE的音频测试仪器或者通过建模仿真获得所述扬声器第l通道到明区的第k个控制点在频率f处的传递函数g_Blk(f)。

6.根据权利要求4所述的时域声能量对比控制方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

步骤3-1)、将扬声器第l通道到明区的第k个控制点之间的冲激响应建模成一个长度为I的FIR滤波器，并采用诸如B&K PULSE的音频测试仪器或者通过建模仿真获得其系数，定义该FIR滤波器第i个系数为h_Blk(i)；

步骤3-2)、假设输入给扬声器系统的信号为x(n)，则在明区第k个控制点的输出信号为

$y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(m\right)\·[\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{Blk}}\left(i\right)\·x(n-m-i)]$

$=w^T{r}_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)$

其中，r_Bk是ML×1向量，可定义如下：

r_Bk(n)＝[r_Blk(n),…r_Blk(n-M+1),…,r_BLk(n),…,r_BLk(n-M+1)]^T

$r_{\mathrm{Blk}}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{Blk}}\left(i\right)\·x(n-i);$

步骤3-3)、假设输入信号x(n)为稳态信号，则在步骤3-2)中输出信号y_Bk(n)表达式的基础上，定义明区的平均声能量为：

$e_B=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}E\{y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\·y_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\}=w^{T}E\{\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{Bk}}^T\left(n\right)\·r_{\mathrm{Bk}}\left(n\right)\}w=w^{T}E\left\{R_B^T\left(n\right)R_B\left(n\right)\right\}w$

其中E{·}代表取元素的期望值，R_B(n)表达式如下：

$R_B\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{K}}\left[\begin{array}{c}{r}_{B1}^T\\ .\\ .\\ .\\ r_{\mathrm{BK}}^T\end{array}\right];$

步骤3-4)、将扬声器第l通道到暗区的第k_D个控制点之间的响应建模成一个长度为I的FIR滤波器，则其第i个系数定义为假设输入给扬声器系统的信号为x(n)，则在暗区第k_D个控制点的输出信号为

$y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)=w^T{r}_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)$

其中，1≤k_D≤K_D，K_D为暗区控制点个数，是ML×1向量：

$r_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)={[r_{{D1k}_D}\left(n\right),\·\·\·r_{{D1k}_D}(n-M+1),\·\·\·,r_{{\mathrm{DLk}}_D}\left(n\right),\·\·\·,r_{{\mathrm{DLk}}_D}(n-M+1)]}^T;$

$r_{{\mathrm{Dlk}}_D}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{{\mathrm{Dlk}}_D}\left(i\right)\·x(n-i);$

定义暗区的平均声能量为：

$e_D=\frac{1}{K_D}\underset{k_D=1}{\overset{K_D}{\mathrm{\Σ}}}E\{y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)\·y_{{\mathrm{Dk}}_D}\left(n\right)\}=w^{T}E\left\{R_D^T\left(n\right)R_D\left(n\right)\right\}w;$

其中 $R_D\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{K_D}}\left[\begin{array}{c}{r}_{D1}^T\\ .\\ .\\ .\\ r_{{\mathrm{DK}}_D}^T\end{array}\right].$

7.根据权利要求6所述的时域声能量对比控制方法，其特征在于，所述的步骤4)包括：

步骤4-1)、结合步骤2)给出的频率响应一致性约束的表达式和步骤3)给出平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，列出其优化问题为：

$\underset{w}{\max }\frac{e_B}{e_D+{\mathrm{\δw}}^{T}w+\mathrm{\βRV}}=\frac{w^{T}E\left\{R_B^T\left(n\right)R_B\left(n\right)\right\}w}{w^{T}E\left\{R_D^T\left(n\right)R_D\left(n\right)\right\}w+\mathrm{\δ}{w}^{T}w+\mathrm{\βRV}}$

步骤4-2)、对步骤4-1)所得到的优化问题求出其解：

其中P_max{·}是求解矩阵对应最大特征值的单位特征向量，U为单位矩阵，δ为鲁棒性参数，β为权重参数；参数δ和β都取正数；

步骤4-3)、将步骤4-2)所得到的向量w按每隔M个元素进行切割，得到各个通道的时域冲激响应滤波器信号。

8.一种时域声能量对比控制系统，其特征在于，包括：

扬声器阵列布放模块，用于布放扬声器阵列，并设定明区和暗区的控制点；其中，所述的明区是指设定为具有高声能量的区域，所述的暗区是指设定为具有低声能量的区域；

频率响应一致性约束表达式获取模块，用于选定参考频率，列出明区中的频率响应一致性约束表达式；

平均声能量表达式获取模块，用于分别列出明区和暗区的平均声能量表达式；

时域冲激响应滤波器信号计算模块，用于给合所述频率响应一致性约束表达式获取模块所得到的频率响应一致性约束表达式和平均声能量表达式获取模块所得到的平均声能量表达式，按照频率响应一致性约束的时域声能量对比控制准则，计算出各个通道的时域冲激响应滤波器信号。