CN104581604A

CN104581604A - 再现声学声场的方法

Info

Publication number: CN104581604A
Application number: CN201410555135.4A
Authority: CN
Inventors: P·米纳尔
Original assignee: Oticon AS
Current assignee: Oticon AS
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: DK2863654T3; EP2863654A1; US20150110310A1; CN104581604B; EP2863654B1

Abstract

本发明公开了一种再现声学声场的方法，所述方法包括：1)当所述传声器阵列在听者听所述声场期间位于其头部预计位置处的主空间中时，确定从所述扬声器阵列的每一扬声器单元到所述传声器阵列的所有传声器单元的传递函数，从而提供一组传递函数；2)对所述一组传递函数求逆并确定最佳滤波器系统；3)将所述传声器阵列放在听者头部在第二位置的特定声音场景下的预计位置处并记录第二位置的特定声音场景的声音，从而提供特定声音场景录音；4)通过使求逆的最佳滤波器系统与记录的信号卷积而确定特定声音场景的、配置成由所述扬声器阵列向第一位置的听者进行播放的扬声器信号。

Description

再现声学声场的方法

技术领域

本申请涉及声场再现。本申请尤其涉及再现声学声场的方法。

本申请还涉及声场再现系统。本申请还涉及包括处理器和程序代码的数据处理系统，其中程序代码使处理器执行本发明方法的至少部分步骤。

例如，本发明在下述应用中有用：声音再现系统、虚拟现实系统、移动电话、助听系统，如助听器、头戴式耳机、耳麦、有源耳朵保护系统等。其它应用例如可以是免提电话系统、远程会议系统、广播系统、卡拉OK系统、教室放大系统等。

背景技术

下面的现有技术说明涉及本申请的应用领域之一即助听器。

在设计助听器时，必须在听音测试中对其性能进行测试。为说明新特征带来好处，必须通过对终端用户直接进行测试而表明该好处。然而，现有测试方法要不远脱离于实际生活听音情形，要不太不准确和不确定。

传统上，用相当简单的扬声器设置进行实验室测试。作为丹麦句子测试的例子，常常使用Dantale(例如参见[Wagner et al.；2003])。在该测试中，三个扬声器放在听者的两侧及后面以产生噪声。该噪声通常为“未调制的语音型”噪声。从听者前面的扬声器正播放“目标”语音。听者的任务是重复来自目标扬声器的话语。如果话语被正确听取，则语音逐渐关小直到达到阈值为止。该测试非常准确，但其绝非实际生活听音情形的代表。

在另一类型的测试中(称为现场测试)，向终端用户家里发送一组助听器和调查表。听者需要找到特定听音情形并填写调查表，通常在2周内。该测试可以说代表实际生活听音情形，但其也非常不确定用户实际上听到了什么。

为实现测量高准确度及测试现实性，需要能够在实验室中再现实际生活听音情形。这些情形必须容易辨认且可重复以使能在不同助听器设置和助听器类型之间进行比较。当然，可能将几个扬声器放在听者周围并使用立体声混合技术产生声音场景。也可使用球形扬声器阵列和高阶Ambisonics(高保真度立体声响复制)(HOA)、波场合成(WFS)或基于矢量的振幅平移(VBAP)方法实施模仿的房间和听者周围的虚拟声源。然而，这些方法不能够再现实际的真实世界声音场景。

作为代替，其可以通过用传声器阵列记录真实听音情形下的声场而进行。迄今为止，最常用的在球形扬声器阵列中再现前述录音的方法是通过采用HOA(例如参见[Favrot et al.；2010]和[Daniel；2000])。然而，如果同时存在远离和靠近听者的声源，则不能使用该方法。此外，传声器和扬声器阵列必须为球形且校准程序非常麻烦。

因此，需要更简练的、在实验室中再现听者头部周围在真实生活听音情形下的声场的方法。该方法应容易校准及用可用的给定数量的传声器和扬声器即可提供最佳可能的声场再现。

US 7,336,793 B2描述了一种再现系统，其从布置在面板上的声源阵列产生所希望的声场。声场因其而得以控制的根本技术为波场合成(WFS)。该众所周知的技术，其通常与线性排列的扬声器一起使用，在此延伸到平板。WFS特别适合再现相对大听音区域中的声场，如(10人以上的)听众。WFS方法的缺点在于再现差错跨整个听音区域扩散。这与本发明的方法相反，在本发明方法中，差错在听音区域外面最大及在听音区域中心最小。WFS方法的另一缺点在于需要非常大量的扬声器及再现通常限于水平面。因此，WFS不适合其中需要小听音区域(对一人)的测试助听器技术。

US 2001/0040969描述了一种声音再现系统，用于测试听力及助听器。提及了几种用于记录和重放声音的方法，包括“三维传声器”(声场Mk-V)，其通常用于记录4通道Ambisonics B格式信号。然而，本发明方法在任何部分不使用Ambisonics，或就事而论，不使用高阶Ambisonics(HOA)。

发明内容

本发明的声场再现方法基于提供(如理论上或物理测量)和求逆(如通过建模工具)再现系统的传递函数。

本发明的目标在于提供改进的声场再现。本发明的另一目标在于提供备选的再现声场的方法。本发明的目标还在于提供从自然在特定位置处的不同声音场景再现声场的方法(例如以适于播放或测试)。具体地，本发明的目标在于提供适合测试助听装置的、可靠的声场再现。实施本发明的目标在于提供对用户或测试人员自然的声场再现，以使用户或测试人员能根据意愿定向其头部同时保持自然声音感知(反映在相应真实情形下正常听力人员感知的定位线索)。实施本发明的目标在于在低于阈频的大频率范围下如在低于4kHz的频率下在覆盖用户或测试人员的特定听音区域中提供改进的声场再现。实施本发明的目标在于提供声场再现方法或系统，其适合用作音频处理算法的开发工具，例如用于声音再现系统如助听装置。

本申请的目标由所附权利要求限定的及下面描述的发明实现。

再现声场的方法

提出了在(例如，并非必须，球形)扬声器阵列中实施(例如，并非必须，球形)传声器阵列的声场再现方法。该方法使用测得的(或确定的)传递函数的直接求逆。该方法的目标在于最佳再现传声器阵列的所有传声器胶囊处的信号(最小平方意义上)。在本申请中，术语“传声器胶囊”和“传声器”可互换地使用，其定义用于将输入声音转换为电输入信号的单一“传声器单元”。

为了产生多个不同的声音场景(例如表示特定听音情形或环境)，需要执行下述步骤：

1)在设置或校准步骤中，确定(如测量)从扬声器阵列的每一扬声器到传声器阵列的所有传声器胶囊的脉冲响应(IR)；

2)对该组传递函数求逆(例如参见[Minaar et al.；2013])以找到使误差最小化(最小平方意义上)的最佳滤波器系统；

3)通过将传声器阵列放在可能的、想要的听者头部位置而记录特定声音场景中的声音；

4)为确定特定声音场景的扬声器信号(以在用户在另一位置想要听特定听音情形下的声场时向其播放)，求逆的最佳滤波器系统与记录的信号卷积(例如参见[Klinkeby et al；1998])。

在本申请的一方面，本申请的目标由使用包括传声器阵列和扬声器阵列的声音再现系统向第一位置处的听者再现声学声场的方法实现，其中传声器阵列包括多个传声器单元，扬声器阵列包括多个扬声器单元。该方法包括：

1)当传声器阵列在听者听取声场期间位于其头部预计位置处的主空间中时，确定从扬声器阵列的每一扬声器单元到传声器阵列的所有传声器单元的传递函数，从而提供一组传递函数；

2)对该组传递函数求逆并确定最佳滤波器系统；

3)将传声器阵列放在听者头部在第二位置的特定声音场景下的预计位置处并记录第二位置的特定声音场景的声音，从而提供特定声音场景录音；

4)通过使求逆的最佳滤波器系统与记录的信号卷积而确定特定声音场景的、配置成由扬声器阵列向第一位置的听者进行播放的扬声器信号。

尽管上述方法的目标在于再现传声器位置处的信号，但传声器周围的声场(如球体处)也是正确的(该球体例如对应于至少一用户的头部)。然而，其正确的程度取决于频率。在低频率时，声场在传声器(及听者头部)周围的大区域正确。随着频率增加，该区域(空间)变得越来越小。这意味着在低频率时振幅和相位均正确，而在高频率时振幅正确但相位不能精确地控制。虽然如此，当听宽带刺激时，声音定位得以非常好地再现，因为低频率耳间时差(ITD)未受影响。

本发明方法的优点在于，由于头部周围的(真实)声场已被再现(对于特定听音情形)，从而允许听者自由移动头部。因此，该系统非常适合测试终端用户耳朵上的助听器。

本发明方法相较常用的HOA的优点在于对阵列的结构没有限制，即它们不必须为球形。另一优点在于，考虑了所有变换器(传声器和扬声器)，因而系统的校准包括在最优化中。此外，对记录近处的声源没有限制。这与依赖于远场假设的HOA相反。

类似的方法已由例如[Fazi and Nelson；2007]和[Chang et al.；2010]描述和调查。

术语“确定传递函数”覆盖时域及频域传递函数，如“确定脉冲响应”或“确定频率响应”或其它等同表达。

在实施例中，第一位置为具有预定声学性质的位置。在实施例中，第一位置为具有预定的、相对低回响的位置，如声学衰减的房间，例如配备有声学衰减(墙壁)元件的房间，如实质上无回声的房间。

在实施例中，第二位置等于第一位置。然而，优选地，第二位置不同于第一位置。在实施例中，第二位置包括表示如助听装置用户或另一用户(如游戏或装置的用户或教育或其它娱乐活动的参与人)的预计听音情形的特定声音场景。

在实施例中，步骤1)包括1a)按预定几何构型定位传声器阵列和扬声器阵列，传声器阵列放在听者在听取声学声场时其头部的预计位置处。优选地，传声器阵列定位成模仿听者头部的位置以使得声场在听者听取特定声音场景录音期间预计定位其头部的地方的空间中最优化。

在实施例中，步骤1)包括测量至少部分传递函数。在优选实施例中，步骤1)为校准步骤，其中测量每一传递函数。

在实施例中，在第一位置处执行步骤1)。优选地，在特定声音场景录音(在第二位置处记录)预计呈现给听者的第一位置处执行步骤1)。在实施例中，测量部分如大部分或所有传递函数。

如上所述，从每一扬声器单元到所有传声器单元的传递函数理想地应用将用于录音的重放系统进行测量。然而，也可能在不考虑特定重放房间中的扬声器和传声器响应的传递函数的情形下校准系统。而是，可使用再现系统的声学的理论模型，如[Duda and Martens；1998]描述的用于硬球的模型。使用该模型，通过考虑再现装备中每一传声器和每一扬声器的相对角(方位角和仰角)可获得传递函数。这样，可产生更“中性的”系统，其中扬声器信号可在具有同样(几何)构型的另一系统中播放。如果需要，(重放房间中的)扬声器可通过用听音位置处的单一传声器测量响应而被使得均等。

在实施例中，步骤1)包括理论上确定至少部分传递函数。在实施例中，步骤1)包括理论上确定前述传递函数，例如基于扬声器-传声器设置的几何构型的模型。在实施例中，理论上确定部分如大部分或所有传递函数。

在实施例中，重复步骤3)以提供多个(N_ssc个)特定声音场景录音。在实施例中，记录多个(N_ssc个)不同的特定声音场景，得到多个(N_ssc个)特定声音场景录音。从而，在同一或不同位置处记录的多个不同的特定声音场景可经声场系统再现给位于第一位置处的听者(如测试或其他环境)。

在实施例中，本发明方法包括使得听者佩戴(配备)配置成拾取和处理声学声场的助听系统。

在声场中测试助听系统的方法

另一方面，提供在声场中测试助听系统的方法。助听系统包括一个或多个适于完全或部分位于听者头部上或植入于其中的助听装置。该方法包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的向听者再现声学声场的方法的步骤，测试助听系统的方法还包括：

T1)向听者提供一个或多个助听装置；

T2)让听者位于第一位置处从而听者头部位于前述主空间中；

T3)提供一个或多个特定声音场景录音；

T4)向用户播放一个或多个特定声音场景录音。

在实施例中，该方法包括可接近听者的用户界面，其中该用户界面配置成使听者能指明对当前播放的特定声音场景录音的看法。

在实施例中，该方法包括可接近听者的用户界面。在实施例中，用户界面配置成使听者能指明对当前播放的特定声音场景录音的看法。在实施例中，用户界面配置成使听者能在不同的特定声音场景录音之间切换。在实施例中，用户界面配置成使听者能在不同的处理算法之间切换。

助听测试系统

本申请进一步提供包括声音再现系统和控制单元的助听测试系统，其适合测试第一位置处的用户的助听系统，其中声音再现系统包括：

-包括多个扬声器单元的扬声器阵列，扬声器阵列适于按包围听者的预定几何构型进行定位；

-连接到扬声器阵列的控制单元，其配置成按根据上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法确定的播放特定声音场景的扬声器阵列的每一扬声器单元的各个扬声器信号，各个扬声器信号配置成在听者位于第一位置处时播放给听者；控制单元包括：

--使听者能与控制单元交互作用的听者用户界面。

当由对应的结构特征适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的部分或所有过程特征可与本发明系统的实施结合。系统的实施具有与对应方法一样的优点。

在实施例中，声音再现系统包括一个或多个特定声音场景录音。

在实施例中，控制单元包括到助听系统的编程接口以使用户能修改助听系统中的处理。

在实施例中，助听测试系统配置成使听者能从听者用户界面开始和控制一个或多个特定声音场景录音的声音再现，例如在两个声音场景录音之间切换。在实施例中，助听测试系统配置成使听者能评估一个或多个特定声音场景中的一个或多个助听装置(或计划在一个或多个助听装置中使用)的多个不同处理算法的性能。

在实施例中，助听测试系统配置成使听者能经听者用户界面修改助听系统如一个或多个助听装置中的处理。

在实施例中，扬声器阵列包括至少五个扬声器单元，如至少10个、如至少20个、如至少30个扬声器单元。

在实施例中，助听测试系统包括包含多个传声器单元并适于记录一个或多个特定声音场景的声场的传声器阵列。在实施例中，传声器阵列包括至少五个传声器单元，如至少10个、如至少20个、如至少30个传声器单元。

在实施例中，扬声器单元的数量和传声器单元的数量实质上相等。在实施例中，扬声器单元的数量N_spk和传声器单元的数量N_mic在彼此的10％内，例如彼此相等。

在实施例中，助听测试系统包括助听系统。在实施例中，助听系统包括助听装置。在实施例中，助听系统包括适于分别位于用户左耳和右耳之处或之中的左和右助听装置。在实施例中，左和右助听装置适于实施双耳听音系统，例如双耳助听器系统。

在实施例中，助听系统包括辅助装置，如音频网关和/或移动电话如智能电话。

在实施例中，助听系统适于在左和右助听装置、和/或辅助装置、和/或控制单元之间建立通信链路以使得信息(如控制和状态信号，可能音频信号)能在彼此之间交换或从一装置转发给另一装置。

在实施例中，助听装置适于提供随频率而变的增益以补偿用户的听力损失。在实施例中，助听装置包括用于增强输入信号并提供处理后的输出信号的信号处理单元。数字助听器的多个方面在[Schaub；2008]中描述。

在实施例中，助听装置包括用于从另一装置如通信装置或另一助听装置无线接收直接电输入信号的天线和收发器电路。在实施例中，助听装置包括(可能标准化的)电接口(如连接器形式)，用于从另一装置如通信装置或另一助听装置接收有线直接电输入信号。

在实施例中，无线链路基于标准化或专用技术。在实施例中，无线链路基于蓝牙技术(如蓝牙低能量技术)。

在实施例中，助听装置为便携式装置，例如包括本机能源如电池例如可再充电电池的装置。

在实施例中，助听装置包括输入变换器(传声器系统和/或直接电输入(如无线接收器))和输出变换器之间的正向或信号通路。在实施例中，信号处理单元位于正向通路中。在实施例中，信号处理单元适于根据用户的特定需要提供随频率而变的增益。在实施例中，助听装置包括分析通路，其包括用于分析输入信号(如确定电平、调制、信号类型、声反馈估计等)的功能元件。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在频域进行。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在时域进行。

在实施例中，助听装置还包括用于所涉及应用的其它有关功能，如反馈抑制、压缩、降噪等。

在实施例中，助听装置包括听音装置如助听器、如听力仪器，例如适于位于耳朵处或完全或部分位于用户耳道中的听力仪器，例如耳机、耳麦、耳朵保护装置或其组合。

计算机可读介质

本申请进一步提供保存包括程序代码的计算机程序的有形计算机可读介质，当计算机程序在数据处理系统上运行时，使得数据处理系统执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。除了保存在有形介质如磁盘、CD-ROM、DVD、硬盘、或任何其它机器可读的介质上，计算机程序也可经传输介质如有线或无线链路或网络如因特网进行传输并载入数据处理系统从而在不同于有形介质的位置处运行。

数据处理系统

本申请进一步提供数据处理系统，包括处理器和程序代码，程序代码使得处理器执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。

定义

在本说明书中，“助听装置”指适于改善、增强和/或保护用户的听觉能力的装置如听力仪器或有源耳朵保护装置或其它音频处理装置，其通过从用户环境接收声信号、产生对应的音频信号、可能修改音频信号、及将可能已修改的音频信号作为听得见的信号提供给用户的至少一只耳朵而实现。“助听装置”还指适于以电子方式接收音频信号、可能修改音频信号、及将可能已修改的音频信号作为听得见的信号提供给用户的至少一只耳朵的装置如头戴式耳机或耳麦。前述听得见的信号例如可以下述形式提供：辐射到用户外耳内的声信号、作为机械振动通过用户头部的骨结构和/或通过中耳的部分传到用户内耳的声信号、及直接或间接传到用户耳蜗神经的电信号。

助听装置可构造成以任何已知的方式进行佩戴，如安排在耳后的单元，具有将辐射的声信号导入耳道的管或具有安排成靠近耳道或位于耳道中的扬声器；整个或部分安排在耳廓和/或耳道中的单元；连到植入颅骨的固定装置的单元、整个或部分植入的单元等。助听装置可包括单一单元或几个彼此电子通信的单元。

更一般地，助听装置包括用于从用户环境接收声信号并提供对应的输入音频信号的输入变换器和/或以电子方式(即有线或无线)接收输入音频信号的接收器、用于处理输入音频信号的信号处理电路、及用于根据处理后的音频信号将听得见的信号提供给用户的输出装置。在一些助听装置中，放大器可构成信号处理电路。在一些助听装置中，输出装置可包括输出变换器，例如用于提供空传声信号的扬声器或用于提供结构或液体传播的声信号的振动器。在一些助听装置中，输出装置可包括一个或多个用于提供电信号的输出电极。

在一些助听装置中，振动器可适于经皮或由皮结构传播的声信号传给颅骨。在一些助听装置中，振动器可植入在中耳和/或内耳中。在一些助听装置中，振动器可适于将结构传播的声信号提供给中耳骨和/或耳蜗。在一些助听装置中，振动器可适于例如通过卵圆窗将液体传播的声信号提供给耳蜗液体。在一些助听装置中，输出电极可植入在耳蜗中或植入在颅骨内侧上，并可适于将电信号提供给耳蜗的毛细胞、一个或多个听觉神经、听觉皮层和/或大脑皮层的其它部分。

“听音系统”指包括一个或两个助听装置的系统，及“双耳听音系统”指包括两个助听装置并适于协同地向用户的两只耳朵提供听得见的信号的系统。听音系统或双耳听音系统还可包括“辅助装置”，其与助听装置通信并影响和/或受益于助听装置的功能。辅助装置例如可以是遥控器、音频网关设备、移动电话、广播系统、汽车音频系统或音乐播放器。助听装置、听音系统或双耳听音系统例如可用于补偿听力受损人员的听觉能力损失、增强或保护正常听力人员的听觉能力和/或将电子音频信号传给人。

另外的应用

除了测试助听装置如助听器之外，本发明中描述的概念、系统和方法还可用于其他目的，如用于测试许多其它类型的产品。其可包括移动装置如移动电话和便携式计算机、头戴式耳机、具有声音的主动控制的耳麦、具有传声器的游戏装置等。在所有这些情形下，可能需要产生现实声场以在其内测试装置的性能。也可用声场中(使用装置)的人进行测试。这样，用户可体验产品，就像其在现实生活声学情形下工作一样。

本发明的概念例如可在一般记录和重放系统中使用，用于产生真实听音情形的非常真实的再现。因而，其可用于音乐会、现场体育活动、声学监控、监视等。声音再现也可与可视显示结合。可由(如球形)摄像机阵列捕获的可视部分可投射在观看者周围的屏幕上。

一般而言，上面提及的系统也可用于测试听力。因而，不必须要求听者佩戴听力装置。此外，不需要听者必须为听力受损人员，因为任何正常听力人员均可听见再现的声场，就像他/她在现实生活中一样。

本申请的进一步的目标由从属权利要求和本发明的详细描述中限定的实施方式实现。

除非明确指出，在此所用的单数形式的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。

附图说明

本发明将在下面参考附图、结合优选实施方式进行更完全地说明。

图1示出了例如在听音测试期间用于向(第一)声学受控的位置的听者重放不同声音场景的示例性扬声器阵列。

图2a示出了具有32个胶囊的球形传声器阵列。

图2b示出了传声器阵列记录的示例性声音场景(鸡尾酒会)。

图3a-3b示出了展现声场再现系统的示例性听音测试设置，其中图3a示出了确定各个传递函数的校准球形，及图3b示出了重放球形，其中记录的声音场景播放给配备助听器并受测试GUI帮助的听者。

图4示出了用于实施所测得的传递函数的求逆的多通道解卷积框图(参见[Kirkeby et al.；1998])。

图5a-5c示出了位于包括29个扬声器单元的扬声器阵列中心处的听者头部周围在不同频率下的声场，其中图5a示出了在700Hz时的声场，图5b示出了在2.5kHz时的声场，图5c示出了在8kHz时的声场。

图6a-6c示出了包括32个传声器单元的传声器阵列的方向图与频率之间的关系，其中图6a示出了在700Hz时的关系，图6b示出了在2.5kHz时的关系，图6c示出了在8kHz时的关系。

为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在所有附图中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。

通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本领域的技术人员来说，从下面的详细描述可显而易见地得出其它实施方式。

具体实施方式

该部分描述了包括球形扬声器阵列和球形传声器阵列的声场再现系统的实施，其中扬声器阵列包括29个扬声器，传声器阵列包括32个传声器胶囊。声场再现系统和方法结合助听装置的测试在[Minaar et al；2013]中详细描述，从这些部分复制下述要点。

图1示出了根据本发明的声音再现系统，在此称为虚拟声环境(VSE)系统。该系统具有N_spk＝29个扬声器单元SPK，放在听音位置(用户头部“用户”位于该处)周围半径为1.9米的球体上。16个扬声器位于水平面中，6个在水平面下面成45度角，6个在水平面上面成45度角，及1个扬声器直接在听音位置的上方。重放房间LAB为声学阻尼房间，在低于500Hz时具有约0.35s的混响时间，及在高于500Hz时具有约0.2s的混响时间。在听音测试期间，听者(用户)坐在液压椅子上，其可升高以确保头部处于扬声器球体的中间，其中声场预计将得以最佳再现(优化空间)。听者(在该例子中)分别配备助听装置HAD_l和HAD_r(例如补偿听力受损的助听器，或在一般或特定情形下用于增强用户的听觉感知的其它助听装置)。在该情形下，该设置可表示助听装置的测试系统。除此之外，其可表示使不同声音场景能播放给一个或多个人(几个人，如少于4个，如少于2个，如1个)的重放设施。

将在VSE系统中播放的声音场景可通过计算机模拟或通过用传声器记录而产生。如果场景通过计算机模拟产生，必须构建房间的三维模型。之后，声源放在模拟房间中的听音位置周围。该场景通过使无回声信号与计算的空间房间脉冲响应(RIR)卷积而产生。在重放期间，直接声音和早期反射可通过1)最近的扬声器逼近或2)高阶ambisonics(HOA)实施。高阶ambisonics(HOA)为基于三维声场的球形谐波分解的技术。

优选地，场景基于实际的听音情形。在该情形下，录音例如可用具有32个传声器胶囊MIC(来自MH Acoustics,Eigenmike)的球形传声器阵列SP-MA进行，如图2a中所示。

为得到扬声器信号，可使用1)高阶ambisonics(HOA)或2)测得的传递函数的直接求逆。根据本发明，如下面更详细描述的，使用第二方法。

使用计算机建模的优点在于声音场景可相当容易地改变。然而，构建非常有说服力的真实生活情形非常麻烦。另一方面，用球形传声器阵列进行记录可实现复杂场景的令人非常信服的再现。这些场景在事后不容易操纵。

先前已表明VSE可用于测试助听器。这非常特别，因为该系统能够在听者头部周围产生声场，同时允许正常的头部运动。

由于扬声器的数量有限(29个)，在高于约3000kHz时声场的重构并不完美。虽然如此，宽带声音得以非常精确地定位。使用VSE相较双耳再现(通过头戴式耳机)的主要优点在于听者在声场中能够移动其头部及声音得以清晰地客观化。因而，用户可佩戴助听器，就像他们在真实情形中一样(参见图1中的HAD_l、HAD_r)。通过增加扬声器的数量(及对应传声器的数量，当记录将由扬声器再现的声场时)，在较高频率时可获得提高的性能。

根据本发明的VSE系统的优点在于其适合测试现实听音情形下的助听器信号处理算法。具体地，该系统很适合与球形传声器阵列一起使用并可在具有佩戴助听器的听者的实际听音试验中应用。

首先，该系统的应用假定定义和记录多个相应声音场景(在各自的第二位置，通常不同于第一位置，其中不同的相应声音场景用于播放给听者)。前述特定声音场景PSS1的示例性草图如图2b中所示，其中球形传声器阵列SP-MA位于包括扬声器S1、S2、S3和S4的多讲话者环境中，每一扬声器对传声器阵列SP-MA的传声器单元MIC拾取的声场分别产生分开的贡献额SF1、SF2、SF3和SF4。传声器阵列(例如包括提供N_mic个分开的传声器信号(每通道)的每一传声器单元，在此等于32)经记录接口PI连接到记录单元(如控制单元)PC。从而，所有N_mic个不同的传声器信号在声音场景的持续时间进行记录及保存以进行进一步分析和使用。其次，准备助听器使得设置可以非常低的等待时间实时改变。这在图3b中示出，其中左和右助听装置HAD_l、HAD_r中的每一个包括使它们能经编程接口PI而从编程装置(PC，如控制单元，在图3b中)进行控制的接口。优选地，该系统配置成使用户(如听者或测试管理者)能经用户界面(如图3b的用户界面UI，和/或连接到控制单元PC的另一用户界面)控制助听装置。第三，该听音测试方法需要实施成使得听者在听声音场景的同时能评估不同的设置(算法)(优选使用图3b中的用户界面UI)。

根据本发明，传声器阵列，在此由球形传声器阵列例示，包含在VSE系统中。如上所述，该实施采用测得的传递函数的直接求逆。该方法在下面更详细地描述。基本上，需要将(例如球形)传声器阵列SP-MA放在扬声器阵列SPK-A的中间，同时位于第一(声学)受控位置LAB处，例如声学衰减的房间(参见图3a)，及测量从所有各个扬声器单元SPK到所有传声器胶囊MIC的传递函数IMP(如图3a中的虚线箭头所指示的，依次从一扬声器单元移到下一扬声器单元以通过一次一个地从连接到控制单元PC或形成其一部分的信号发生器SG刺激每一扬声器单元而测量传递函数IMP)。在该例子中，共计29*32＝928个传递函数。之后，该传递函数的系统用[Kirkeby et al.；1998]描述的多通道解卷积程序求逆。对于给定重放系统，这确保声音场景最佳地再现。

对测得的传递函数直接求逆的方法的目标在于最佳地再现所有传声器胶囊处的信号(最小平方意义上)。

为产生声音场景，执行下述步骤：

1)在VSE系统中，测量从每一扬声器到所有传声器胶囊的脉冲响应IR(共928个)。IR用[Müller and Massarani；2001]描述的对数扫频方法进行测量。重放房间的混响越低，需要的IR测量时间越短。在低于500Hz时具有0.35s的混响时间及在高于500Hz时具有0.2s的混响时间的例子中，IR可在23ms后截断(1024个样本)。

2)该组测得的传递函数按如下所述求逆。因而可能找到求逆的最佳滤波器系统，其从最小平方意义上实现最低误差。在例子中，928个滤波器同样具有23ms的滤波器长度(1024个样本)，例如参见[Minaar et al.；2013]。

3)每一场景(听音情形)中的声音用球形传声器阵列进行记录。在每一情形下，传声器简单地放在听者头部预计所处的位置。

4)为获得每一场景中的扬声器信号，求逆的滤波器系统与相应记录的传声器信号卷积。

图3b示出了所得的处于受控第一位置LAB中的重放情形。如果特定声音场景(例如如图2b中所示)的所有计算的扬声器信号的可用性使每一扬声器SPK_i能产生其自己的唯一(子)声场SF_i，这些可播放给其头部处于扬声器阵列SPK-A中心处的优化空间中的用户。在图3b的例子中，用户配备有左和右助听装置HAD_l、HAD_r(在图3b中还记为助听器)，其可用助听测试系统方便地测试。每一助听装置经编程接口PI(如无线)连接到控制单元PC从而使能控制测试(由听者或测试管理者)，包括在助听装置中的不同处理算法之间切换。该测试系统包括使听者能评估不同声音场景中的不同处理算法的用户界面UI(例如在工作时无线连接到控制单元PC)。

助听测试系统可能感兴趣的示例性声音场景(用相应(第二)位置处的传声器阵列记录)可以是：

-聚会：你在有许多人的招待会并想要听清你前面的人说话(例如参见图2b)；

-餐厅：你在食堂中并想要密切注意桌子另一侧的会话；

-会议：你在会议室中并想要密切注意会话；

-讲演：你在听讲演并想要密切注意讲演人正在说什么；

-汽车：你是汽车后座上的乘客及想要密切注意你旁边的女子说话。

作为例子，听音测试可配置成使测试听者能在助听器的下述四个测试条件(设置)之间自由切换。

-OMNI：助听器的前面传声器的未处理的信号；

-DIR：声音由传统的固定两传声器超心型波束形成器处理；

-NR1：高级降噪算法，具有其“正常”设置；

-NR2：高级降噪算法，具有更“侵略性的”的设置。

这些条件优选可电平对准(等于总RMS)以引起大的响度差。类似地，这些条件的顺序优选可随机化，及每一听音情形(声音场景)例如评估两次(以增加可靠性)。

在多通道再现系统的情形下，逆滤波器设计问题可在图4的框图所示的z域中调配。

测得的电声传递函数在图4中由矩阵C(z)表示，其具有逆z变换c(n)。逆滤波器由矩阵H(z)表示，其同样具有逆z变换h(n)。当误差信号e(n)为零时，系统输出信号w(n)为系统输入信号u(n)的延迟版本。

原则上，需要无限长的逆滤波器。此外，该滤波器潜在地非因果，因为扬声器传递函数通常不是最小相位函数。然而，在实践中，选择有限的滤波器长度，及建模时延应用在设计中以确保滤波器为因果。

为使逆滤波器被唯一地定义，复变量z约束到单位圆，即│z│＝1和z＝e^jωT，其中T为采样时间段。该问题通过定义如下的代价函数J解决：

J(e^jωT)＝e^H(e^jωT)·e(e^jωT)+βv^H(e^jωT)·v(e^jωT)

其中H指厄米算符，及β为正则化参数。通过使最小平方意义的代价函数(误差)最小化及使用下述关系：

v(z)＝H(z)·u(z)

w(z)＝C(z)·v(z)

d(z)＝u(z)·z^–m

e(z)＝d(z)-w(z)

逆滤波器的表达式可以为：

H (z) = \frac{C^{T} (z^{- 1}) \cdot z^{- m}}{C^{T} (z^{- 1}) \cdot C (z) + β \cdot I}

通过取H(z)因果FIR滤波器的逆z变换，可获得h(n)。

正则化参数可以是标量或矢量且通常具有小值。当逆为病态时其特别有用，就像大多数电声传递函数的情形一样。通过增加β，逆滤波器的极点移动而远离单位圆，导致脉冲响应更短。其还导致系统噪声增益更低，但增加定向波束宽度(参见下面)。

尽管上述方法的目标在于再现传声器位置处的信号，但传声器周围(“优化空间”中)的声场也是正确的。然而，其正确的程度取决于频率。在低频率时，声场在传声器(因而听者头部，参见图5a-5c中的传声器阵列SP-MC和听者“用户”的指示)周围的大区域正确。随着频率增加，该区域变得越来越小。对于当前系统(具有29个扬声器和32个传声器)，该区域在3kHz时约为人头部的大小(参见图5b)。这意味着在低频率时振幅和相位均正确，而在高频率时振幅正确但相位不能精确地控制。虽然如此，当听宽带刺激时，声音定位得以非常好地再现，因为低频率耳间时差(ITD)未受影响。这在图5a-5c中示出，其基于包括(球形)传声器阵列SP-MC和扬声器阵列的声场系统的模拟示出了不同频率时听者头部周围的声场的扩展。图5a-5c中的结果针对水平面左边放置成30度的纯音声源在三个不同频率时的声场，其中图5a示出了在700Hz时的声场，图5b示出了在2.5kHz时的声场，图5c示出了在8kHz时的声场。这些曲线示出了在优化空间(垂直方向的中心点周围-0.3m-+0.3m)的中央截面中声场随距离(米)的变化。内圆表示传声器SP-MC，而外圆指示人头部(用户)的大小。应注意，头部周围其声场WA类似于平面波的“最佳听音位置”(优化空间)在低频率时非常大(图5a)及随着频率增加变得更小(图5b、5c)。

在系统设计期间要重点控制的另一参数为波束宽度，即系统的方向图。图6a-6c示出了在三个频率时的完整系统的波束图，其中图6a示出了在700Hz时的图，图6b示出了在2.5kHz时的图，图6c示出了在8kHz时的图。从这些图可以看出，波束的主波瓣在低频率时最大，而随着频率增加其变得更窄。另一方面，在最高频率时旁瓣趋于增大，表明声音来自不同于预计方向的其它方向。

本发明由独立权利要求的特征限定。从属权利要求限定优选实施方式。权利要求中的任何附图标记不意于限定其范围。

一些优选实施方式已经在前面进行了说明，但是应当强调的是，本发明不受这些实施方式的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。

参考文献

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Claims

1.使用包括传声器阵列和扬声器阵列的声音再现系统向第一位置处的听者再现声学声场的方法，其中所述传声器阵列包括多个传声器单元，所述扬声器阵列包括多个扬声器单元，所述方法包括：

1)当所述传声器阵列在听者听所述声场期间位于其头部预计位置处的主空间中时，确定从所述扬声器阵列的每一扬声器单元到所述传声器阵列的所有传声器单元的传递函数，从而提供一组传递函数；

2)对所述一组传递函数求逆并确定最佳滤波器系统；

3)将所述传声器阵列放在听者头部在第二位置的特定声音场景下的预计位置处并记录第二位置的特定声音场景的声音，从而提供特定声音场景录音；

4)通过使求逆的最佳滤波器系统与记录的信号卷积而确定特定声音场景的、配置成由所述扬声器阵列向第一位置的听者进行播放的扬声器信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一位置具有预定声学性质。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二位置不同于所述第一位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)包括1a)按预定几何构型定位所述传声器阵列和所述扬声器阵列，所述传声器阵列放在听者在听所述声学声场时其头部的预计位置处。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)包括测量至少部分所述传递函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一位置处执行步骤1)。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤3)的特定声音场景录音预计呈现给听者的位置处执行步骤1)。

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)包括理论上确定至少部分所述传递函数。

9.根据权利要求1所述的方法，使得听者佩戴配置成拾取和处理所述声学声场的助听系统。

10.在声场中测试助听系统的方法，所述助听系统包括一个或多个适于完全或部分位于听者头部上或植入于其中的助听装置，所述方法包括根据权利要求1的方法的步骤及还包括：

T1)向听者提供所述一个或多个助听装置；

T2)让听者位于第一位置处从而听者头部位于所述主空间中；

T3)提供一个或多个特定声音场景录音；

T4)向用户播放一个或多个特定声音场景录音。

11.根据权利要求10所述的方法，包括听者可访问的用户界面，其中所述用户界面配置成使听者能指明对当前播放的特定声音场景录音的看法。

12.根据权利要求10所述的方法，包括提供配置成使听者能在不同处理算法之间切换的用户界面。

13.包括声音再现系统和控制单元的助听测试系统，其适合测试第一位置处的用户的助听系统，其中所述声音再现系统包括：

-包括多个扬声器单元的扬声器阵列，所述扬声器阵列适于按包围听者的预定几何构型进行定位；

-连接到所述扬声器阵列的控制单元，其配置成按根据权利要求1的方法确定的播放特定声音场景的扬声器阵列的每一扬声器单元的各个扬声器信号，各个扬声器信号配置成在听者位于第一位置处时播放给听者；所述控制单元包括：

--使听者能与所述控制单元交互作用的听者用户界面。

14.根据权利要求13所述的助听测试系统，其中所述控制单元包括到所述助听系统的编程接口以使用户能修改所述助听系统中的处理。

15.根据权利要求13所述的助听测试系统，其中所述助听测试系统配置成使听者能经所述听者用户界面修改所述助听系统中的处理。