CN103989481B - 一种hrtf数据库测量装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，包括，一声源结构架；一转动座椅；一计算机；一数据采集卡；一音频功放；一多路输出选择器；以及，一前置放大器。本发明的优点：装置结构简单，测量方便，能够准确的测量HRTF数据，以达到高分辨率的目的，为信号处理后再现声像在全空间中的任意位置提供数据库支持。
Description
技术领域
本发明涉及HRTF数据库的测量装置及其使用方法。
背景技术
HRTF即头相关传输函数，它描述了自由场声波从声源到双耳的传输过程。它反映了头部、耳廓和躯干等构成的生理系统对声波反射和散射(综合滤波)的结果，为得到全空间声源相对于双耳的定位信息，需要建立全空间范围内的HRTF数据，这些HRTF数据形成了一个完整的HRTF数据库。
在时域中HRTF的等价表达为HRIR（Head-RelatedImpulseResponse）。在自由场中（隔音室环境）人双耳的HRTF被定义为：左耳HL=HL（r，θ，φ，f），右耳HR=HR（r，θ，φ，f）。其中r为声源到头部中心点的距离，θ为声源的方位角，φ为声源的仰角，f为声波的频率。
系统测量原理为将r定义为常量，将θ和φ定义为常量数组，通过计算机D/A以一定的输出率，产生一定长度的MLS（Maximum-LengthSequence）伪随机噪声信号，该信号经过放大、变换，通过点声源输出声波激励信号。通过采集人双耳处的声波数据，即得到了声波激励信号在经过头部HRTF未知系统环节后的响应输出信号。利用相关法，对输入激励信号和输出响应信号进行互相关运算，即可得到在双耳处的时域脉冲响应，即为原始的时域HRIR。对原始的HRIR进行截取处理，去除序列前面部分的声波传播延时产生的近零无效值，以及序列后面部分的房间及测量机构反射声波产生的反射声脉冲。再利用事先测定好的电声测量系统本身的传输函数，根据测量均衡原理，对截取好的HRIR进行均衡后，即得到了相应声源方向的头部相关脉冲响应HRIR。对它进行离散傅立叶变换，即可得到在频域内HRTF的描述表达式，测量原理见图1。通过索引θ和φ常量数组中的不同常量值加以组合，重复上述原理过程，即可得到以r为半径，声源球面上各个方位角与仰角的HRTF。
目前，试验测量是获得HRTF最重要且最准确的手段。由于每个人的人体生理结构不同，故相对于每个人的HRTF也会不同，所以，为了能得到精确的测量数据，需反复测量。但现有的测量装置要么结构过于复杂，要么就是测量不方便，鉴于上述情况，亟待对HRTF数据库测量装置进行改进。
发明内容
本发明目的是解决现有技术中的问题，提出一种新型的HRTF数据库测量装置。
为了实现上述目的，本发明是这样实现的：一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，包括，
一声源结构架，呈圆弧形，其上分布有多个扬声器且每个扬声器的出声方向都指向该声源结构架的圆心位置；
一转动座椅，其位于所述声源结构架的圆心位置，参试人员佩戴左、右耳传声器坐在该转动座椅上；
一计算机，其主板上具有至少两根PCI插槽；
一数据采集卡，其位于所述PCI插槽中的一根内，该数据采集卡具有一第一D/A转换器，一第一A/D转换器，及一第二A/D转换器；
一音频功放，其具有一输入端，其与第一D/A转换器连接；及一输出端；
一多路输出选择器，具有一输入端，其与所述音频功放的输出端连接；及复数个输出端，每个输出端都对应连接有一所述扬声器；以及，
一前置放大器，具有一第一输入端，其与所述左耳传声器连接；及一第一输出端，其与所述第一A/D转换器连接，使左耳传声器的信号经放大后传入第一A/D转换器内；一第二输入端，其与所述右耳传声器连接；及一第二输出端，其与所述第二A/D转换器连接，使右耳传声器的信号经放大后传入第二A/D转换器内。
本发明还提供了上述HRTF数据库测量装置的使用方法，a）选定参试人员：选取听力正常，年龄在20-40岁，男或女；
b）参试人员佩戴左、右传声器，正坐在转动座椅上，并保证其不能转动或移动头部及身体；
c）调整测量环境：在左、右耳传声器的位置上，保证背景噪声的声压级至少比被测声音的声压级低6dB，优选12dB；
d）测试准备：
（1）测试信号的选取：采用一定长度的MLS（Maximum-LengthSequence）伪随机噪声信号，经放大、变换，通过扬声器输出声波激励信号，重复播放3次，间隔0.5s；
（2）校准：按照GB/T4854的规定校准左、右传声器的基准零级；
e）测试安排：
（1）确定参试人员的初始的θ、φ、r，其中，r为声源到头部中心点的距离，θ为声源的方位角，φ为声源的仰角；
（2）扬声器输出频率为f的声波激励信号；
（3）左、右耳传声器接收到声波激励信号，该信号经前置放大器放大后，通过数据采集卡模数转换送入计算机；
（4）计算机将收集到的信息进行算法处理，生成HRTF数据；
（5）改变φ，重复步骤（2）、（3）、（4），直至该θ下所有φ的信息测试完毕；
（6）改变θ，重复步骤（5），直到所有θ的信息测试完毕；
（7）生成HRTF数据库；
f）数据处理：将存储的所有数据对其取有效范围：以声强达到第一个峰值的20％作为有效起始点，以自起点开始的后7ms作为有效数据段，取出该段有效数据，将有效数据保存在另外一个目录中待再次处理。
本发明的优点在于：装置结构简单，测量方便，能够准确的测量HRTF数据，以达到高分辨率的目的，为信号处理后再现声像在全空间中的任意位置提供数据库支持。
附图说明
图1为HRTF测量的原理图。
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
请参见图2，图2所示的是一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，包括，
一声源结构架1，用于固定扬声器及电缆，呈半圆形弧段，其上均匀分布有19个扬声器2且每个扬声器的出声方向都指向该声源结构架的圆心位置；
一转动座椅6，用于调节参试人员的高度，其位于所述声源结构架的圆心位置，参试人员佩戴左、右耳传声器坐在该转动座椅上；
一计算机13，用于记录、处理信息，其主板上具有4根PCI插槽12；
一数据采集卡3，用于声音数据的采集，其位于所述PCI插槽中的一根内，该数据采集卡具有一第一D/A转换器31，一第一A/D转换器，及一第二A/D转换器32；
一音频功放4，用于推动扬声器发声，其具有一输入端，其与第一D/A转换器连接；及一输出端；
一多路输出选择器5，用于切换不同扬声器通道，具有一输入端，其与所述音频功放的输出端连接；及复数个输出端，每个输出端都对应连接有一所述扬声器；
一前置放大器15，具有一第一输入端，其与所述左耳传声器连接；及一第一输出端，其与所述第一A/D转换器连接，使左耳传声器的信号经放大后传入第一A/D转换器内；一第二输入端，其与所述右耳传声器连接；及一第二输出端，其与所述第二A/D转换器连接，使右耳传声器的信号经放大后传入第二A/D转换器内。
一运动控制卡10，位于所述PCI插槽中的另一根内，其具有一数字I/O单元101及一脉冲输出单元102；
一减速器7，具有一输出端，其与所述转动座椅的转轴连接；及一输入端；
一伺服电机8，其电机轴与所述减速器的输入端连接；以及，
一电机驱动器9，具有一第一输入端，其与所述数字I/O单元连接；一第二输入端，其与所述脉冲输出单元连接；一第三输入端，其与伺服电机的编码器连接，用于接受电机轴转动角度的反馈信息；一输出端，其与所述伺服电机的控制端连接。电机驱动器还包括一信息输出端，该信息输出端通过RS-232接口11与所述计算机连接。
使用时，按照以下步骤，依次执行：
a）选定参试人员：选取听力正常，年龄在20-40岁，男女各10名；
b）参试人员佩戴左、右传声器，正坐在转动座椅上，并保证其不能转动或移动头部及身体，由于测试对象耳道长度会有所不同，不同位置测量结果可能有较大的差别。为消除差别采用封闭耳道测量方法，用吸音棉封堵耳道后，再将双耳传声器插入测试对象的耳道使传声器与耳道入口齐平；
c）调整测量环境：在左、右耳传声器的位置上，保证背景噪声的声压级至少比被测声音的声压级低12dB；
d）测试准备：
（1）测试信号的选取：采用5s的MLS（Maximum-LengthSequence）伪随机噪声信号，经放大、变换，通过扬声器输出声波激励信号，重复播放3次，间隔0.5s；
（2）测试方位选取：按照水平角每5°，仰俯角每10°取点；
（3）校准：按照GB/T4854的规定校准左、右传声器的基准零级；
e）测试安排：
（1）确定参试人员的初始的θ、φ、r，其中，r为声源到头部中心点的距离，θ为声源的方位角，φ为声源的仰角；
（2）扬声器输出频率为f的声波激励信号；
（3）左、右耳传声器接收到声波激励信号，该信号经前置放大器放大后，通过数据采集卡模数转换送入计算机；
（4）计算机将收集到的信息进行算法处理，生成HRTF数据；
（5）改变φ，5°一增加，重复步骤（2）、（3）、（4），直至该θ下所有φ的信息测试完毕；
（6）改变θ，10°一增加，重复步骤（5），以90°一组，每测一组，休息5分钟，再进行下一组，直到所有θ的信息测试完毕；
（7）生成HRTF数据库；
f）数据处理：将存储的所有数据对其取有效范围：以声强达到第一个峰值的20％作为有效起始点，以自起点开始的后7ms作为有效数据段，取出该段有效数据，将有效数据保存在另外一个目录中待再次处理。
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，包括，
一声源结构架，呈圆弧形，其上分布有多个扬声器且每个扬声器的出声方向都指向该声源结构架的圆心位置；
一转动座椅，其位于所述声源结构架的圆心位置，参试人员佩戴左、右耳传声器坐在该转动座椅上；
一计算机，其主板上具有至少两根PCI插槽；
一数据采集卡，其位于所述PCI插槽中的一根内，该数据采集卡具有一第一D/A转换器，一第一A/D转换器，及一第二A/D转换器；
一音频功放，其具有一输入端，其与第一D/A转换器连接；及一输出端；
一多路输出选择器，具有一输入端，其与所述音频功放的输出端连接；及复数个输出端，每个输出端都对应连接有一所述扬声器；以及，
一前置放大器，具有一第一输入端，其与所述左耳传声器连接；及一第一输出端，其与所述第一A/D转换器连接，使左耳传声器的信号经放大后传入第一A/D转换器内；一第二输入端，其与所述右耳传声器连接；及一第二输出端，其与所述第二A/D转换器连接，使右耳传声器的信号经放大后传入第二A/D转换器内。
2.根据权利要求1所述的一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，还包括
一运动控制卡，位于所述PCI插槽中的另一根内，其具有一数字I/O单元及一脉冲输出单元；
一减速器，具有一输出端，其与所述转动座椅的转轴连接；及一输入端；
一伺服电机，其电机轴与所述减速器的输入端连接；以及，
一电机驱动器，具有一第一输入端，其与所述数字I/O单元连接；一第二输入端，其与所述脉冲输出单元连接；一第三输入端，其与伺服电机的编码器连接，用于接受电机轴转动角度的反馈信息；一输出端，其与所述伺服电机的控制端连接。
3.根据权利要求2所述的一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，所述电机驱动器还包括一信息输出端，该信息输出端通过RS-232与所述计算机连接。
4.根据权利要求1所述的一种HRTF数据库测量装置，其特征在于，所述声源结构架为半圆形弧，且所述扬声器均匀分布在该声源结构架上。
5.一种权利要求1中HRTF数据库测量装置的使用方法，其特征在于，
a）选定参试人员：选取听力正常，年龄在20-40岁，男或女；
b）参试人员佩戴左、右传声器，正坐在转动座椅上，并保证其不能转动或移动头部及身体；
c）调整测量环境：在左、右耳传声器的位置上，保证背景噪声的声压级至少比被测声音的声压级低6dB；
d）测试准备：
（1）测试信号的选取：采用一定长度的MLS（Maximum-LengthSequence）伪随机噪声信号，经放大、变换，通过扬声器输出声波激励信号，重复播放3次，间隔0.5s；
（2）校准：按照GB/T4854的规定校准左、右传声器的基准零级；
e）测试安排：
（1）确定参试人员的初始的θ、φ、r，其中，r为声源到头部中心点的距离，θ为声源的方位角，φ为声源的仰角；
（2）扬声器输出频率为f的声波激励信号；
（3）左、右耳传声器接收到声波激励信号，该信号经前置放大器放大后，通过数据采集卡模数转换送入计算机；
（4）计算机将收集到的信息进行算法处理，生成HRTF数据；
（5）改变φ，重复步骤（2）、（3）、（4），直至该θ下所有φ的信息测试完毕；
（6）改变θ，重复步骤（5），直到所有θ的信息测试完毕；
（7）生成HRTF数据库；
f）数据处理：将存储的所有数据对其取有效范围：以声强达到第一个峰值的20％作为有效起始点，以自起点开始的后7ms作为有效数据段，取出该段有效数据，将有效数据保存在另外一个目录中待再次处理。
6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，b）中，还包括左、右耳传声器的布置：用吸音棉封堵耳道后，再将左、右耳传声器插入参试人员的耳道内，并使左、右传声器与耳道入口齐平。
7.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，c）中，保证背景噪声的声压级至少比被测声音的声压级低12dB。
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