CN105766000A - 用于评估声学传递函数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于评估声学传递函数的系统(100)和方法，其中所述声学传递函数是从一个声源到通过有限数目个麦克风模块(120)进行采样的再现区域(reproduction area，RA)的传递函数。

Description

用于评估声学传递函数的系统和方法

技术领域

本申请案涉及复杂环境中的多区声音再现的领域，并且尤其涉及用于评估声学传递函数的系统和方法，其中所述声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数。

背景技术

US8213637B2描述了多个收听区中的声场控制。通过声场控制提供设计用于多声道音频系统的音频预先补偿控制器的方案，其中规定数目N个扬声器在规定的位置中，使得位于任何P>1空间扩展收听区中的收听者具有处于另一声学环境中的错觉，所述另一声学环境具有位于规定的室内声学中的规定位置的L声源。

所描述的方法提供交叉设计、延迟和水平校准、总和响应优化和上混合。多输入多输出音频预先补偿控制器设计用于相关联的声音生成系统，所述系统包含有限数目个扬声器输入以用于仿效多个虚拟声源。

US5727066A1描述旨在在收听空间中的多个点处合成的立体声再现系统。提供用于补偿扬声器之间的串扰的在记录空间中的对应点处获得的听觉效果、收听空间的声学响应以及扬声器声道的频率响应中的缺陷。

所描述的立体声再现系统的每个扬声器声道并入有数字滤波器，其中响应于再现场的测量调节数字滤波器的特征。所描述的立体声再现系统的数字滤波器由反向滤波器矩阵H提供，所述反向滤波器矩阵的矩阵元素通过最小二乘法确定。通过旁路路由传输全带宽信号以用于与来自滤波器的输出信号组合，所述旁路路由包含延迟构件。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于测量声学传递函数的改进的技术。

此目标通过独立权利要求的特征得以实现。另外的实施形式通过从属权利要求、说明书以及图式是显而易见的。

根据第一方面，提供一种用于评估声学传递函数的系统，其中所述声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数，所述系统包括：扣除模块，用于从输入信号中减去自由场部分以获得测量到的校正声场部分；估计模块，用于基于一系列加权后的至少一个平面波函数来计算所估计的校正声场部分，所述至少一个平面波有利的是平面波的过完备集；以及传递函数生成模块，用于基于所估计的校正声场部分和自由场部分生成声学传递函数。

用于评估声学传递函数的系统和方法提供使用有限数目个麦克风在复杂环境中测量再现区域上的扬声器之间的声学传递函数的技术。

用于评估声学传递函数的系统和方法有利地提供整个感兴趣的区域上的扬声器声学传递函数的估计。

当使用串扰消除来形成增强的空间效应时用于评估声学传递函数的系统和方法有利地提供减少施加在电声系统上的负载的解决方案，并且所述解决方案有助于显著减少针对复杂环境中的扬声器的声学传递函数的准确特征所需的麦克风数目。

用于评估声学传递函数的系统和方法进一步有利地在频率范围内提供宽带多区声音再现并且允许麦克风布置的灵活性。由于这一点，麦克风可以随机地放置在所希望的区域内。

所述系统可以配备有具有扬声器、麦克风的任何声音再现系统。测量扬声器的声学传递函数以便控制围绕复杂环境中的收听者的再现声场。去混响和房间均衡允许消除环境对再现的影响，并且对于用于多种环境和改变的环境中的移动装置可以改进声音再现。

本发明的基本想法是在复杂环境中引入普通的格林函数建模方法以使用有限数目个麦克风精确识别再现区域上的扬声器之间的声学传递函数。

本发明有利地提供了压缩感测问题的解决方案，并且本发明是基于将实际扬声器声学传递函数分成基本组分、自由场格林函数和校正声场，同时假定在亥姆霍兹解域中，即，校正声场仅由相对少量的基础亥姆霍兹波场(例如，平面波)产生。

此稀疏性假设有助于发现可用于在随机选择的位置处基于有限数目个声压测量准确地描述再现区域上的所希望的校正声音的最佳解决方案。

在根据第一方面的系统的第一可能实施形式中，扣除模块用于将测量向量v用作输入信号并且测量向量v通过以有限数目个麦克风模块对再现区域进行采样获得。

测量向量v有利地提供减小施加在电声系统上的负载的解决方案。

在根据第一方面的第一实施形式或根据第一方面本身的系统的第二可能实施形式中，一系列加权后的至少一个平面波函数包括选自基于稀疏性假设由加权因子r进行加权的基础平面波函数的预定义组Φ的所评估数目个平面波函数。

这有利地允许通过加权优化解决方案。

在根据第一方面本身或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的系统的第三可能的实施形式中，估计模块用于基于测量向量v计算所估计的校正声场部分。

有利的是，测量向量v用作允许集中计算的数据结构。

在根据第一方面的根据系统的第三可能实施形式的第四可能实施形式中，非凸优化用于通过使用迭代重加权最小二乘法求解加权后的l²范数优化。

有利的是，迭代重加权最小二乘法可以与高斯-牛顿和利文贝格-马奎特数字算法一起使用。

在根据第一方面的第三可能实施形式的系统的第五可能实施形式中，非凸优化用于估计加权因子r。

这有利地显著减小针对复杂环境中的扬声器的声学传递函数的准确特征所需的麦克风数目。

根据第二方面，本发明涉及一种移动装置，所述移动装置包括根据第一方面本身或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的系统。

根据第三方面，本发明涉及一种电话会议装置，所述电话会议装置包括根据第一方面本身或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的系统。

根据第四方面，本发明涉及一种音频装置，所述音频装置包括根据第一方面本身或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的系统。

根据第五方面，本发明涉及一种用于评估声学传递函数的方法，其中所述声学传递函数用作从一个声源到再现区域的传递函数，所述方法包括以下步骤：借助于扣除模块从输入信号中减去自由场部分以获得测量到的校正声场部分；借助于估计模块基于一系列加权后的至少一个平面波函数来计算所估计的校正声场部分；以及借助于传递函数生成模块基于所估计的校正声场部分和自由场部分生成声学传递函数。

在根据第五方面的方法的第一可能实施形式中，测量向量v用作输入信号并且测量向量v通过以有限数目个麦克风模块对再现区域进行采样获得。

由此，实现了显著减小针对复杂环境中的扬声器的声学传递函数的准确特征所需的麦克风数目。

在根据第五方面的第一实施形式的方法的第二可能实施形式中，一系列加权后的至少一个平面波函数包括选自基于稀疏性假设由加权因子r进行加权的基础平面波函数的预定义组Φ的所评估数目个平面波函数。

这有利地显著减小针对复杂环境中的扬声器的声学传递函数的准确特征所需的麦克风数目。

在根据第五方面本身或根据第五方面的前述实施形式中的任一者的方法的第三可能的实施形式中，估计模块借助于非凸优化计算所估计的校正声场部分。

这有利地提供减小施加在电声系统上的负载的解决方案。

在根据第五方面的根据方法的第三可能实施形式的方法的第四可能实施形式中，非凸优化用于通过使用迭代重加权最小二乘法求解加权后的l²范数优化。

有利的是，迭代重加权最小二乘法可以与高斯-牛顿和利文贝格-马奎特数字算法一起使用。

在根据第五方面的根据方法的第三可能实施形式的方法的第五可能实施形式中，非凸优化用于估计加权因子r。

非凸优化允许改进声音再现。

本文中描述的方法、系统和装置可以实施为在数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、微控制器或任何其它侧处理器中的软件或实施为专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，ASIC)内的硬件电路。

本发明可以实施于数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或其组合中，例如，实施于常规移动装置的可用硬件或专用于处理本文所描述的方法的新硬件中。

附图说明

本发明的其它实施例将结合以下附图进行描述，其中：

图1示出根据本发明的实施例的如通过单个扬声器与单个点之间的声学传递函数所描述的几何布置的示意图；

图2示出根据本发明的实施例的使用多个扬声器在再现区域中形成所希望的声场的复杂环境中的声场再现情境的详细示意图，所述声场是使用若干麦克风测量的；

图3示出根据本发明的实施例的用于评估声学传递函数的方法的流程图，其中声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数；

图4示出根据本发明的另一实施例的用于评估声学传递函数的方法的流程图，其中声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数；以及

图5示出根据本发明的实施例的用于评估声学传递函数的系统的示意图，其中声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数。

具体实施方式

在图式中，相同参考符号表示相同或等效元件。另外，需要注意的是，所有附图未按比例绘制。

下面将参考本发明的实施例中的附图对本发明的实施例中的技术解决方案进行清楚、完整的描述。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域一般技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例都属于本发明的保护范围。

图1示出根据本发明的实施例的如通过单个扬声器与单个点之间的声学传递函数所描述的几何布置的示意图。

在图1中说明了在复杂的环境中使用有限数目个麦克风的在再现区域RA上的扬声器之间的声学传递函数。混响房间中的声场通常是作为线性的且时间不变的系统建模的。在时间t处相对于源点O位于点x处的实际声场可以写成通过源s(t)传输的信号的线性函数，如图1所示。

所述源由扬声器110表示。对于固定源，位置相关声学脉冲响应h(x；t)对房间的影响可以在每个时间t处建模：

s^a(X；t)＝h(X,t)*s(t).

脉冲响应h(x；t)是作为图1中的框可视化的。

相对于波数k进行傅立叶变换，声学传递函数H(x；k)被定义为源信号强度s(k)与实际声场S^a(x；k)的频域量之间的复杂增益：

S^a(x；k)＝H(x；k)*s(k)。

声场S^a(x；k)可以写成为亥姆霍兹解的基本函数的经加权序列(所述解可以是非正规化的)：

根据截断定理定义投影P：

C^N→C^2M+1(N<<2M+1)

r是K稀疏信号，K的值取决于混响环境的复杂程度。在本项研究中，使K≤2M+1，M是截断长度。

实际声场S^a(x；k)可以分成基本组分、自由场格林函数和校正声场R(x,k)。

可以提出线性系统：

v＝Φr，

其中v包含在所选择区域内的m个随机选定位置处的所希望的校正声场R(x,k)的测量并且Φ是m×N(m＜＜N)过完备词典。

选择Φ中的基础亥姆霍兹波场函数作为以多种角度到达的平面波。

测得值v是稀疏信号r到不相关的基础上的线性投影：

v_i＝<Φ_i,r>

迭代重加权最小二乘法用于求解加权后的l²范数优化：

$\underset{r}{min}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&omega;}}_i{r}_i^2,s.t.v=\mathrm{\&Phi;}r$

随后，从先前迭代中计算权数

${\mathrm{\&omega;}}_i={({\left(r_i^{n-1}\right)}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}^2)}^{p/2-1}$

r的解可以给定为

rⁿ＝Q_nΦ^H(ΦQ_nΦ^H)^-1v

其中Q_n是具有项1/w_i的对角矩阵。r⁰初始化到v＝Φr的最小2范数解。

由扬声器在所希望的区域上生成的实际声场可以写成：

$S(x,k)=\frac{i}{4}{H}_0^{\left(1\right)}\left(k\right||Y-x|\left|\right)+\underset{n-1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\hat{r}}_n{G}_n(x,k)$

其中Y表示扬声器的位置。

图2示出根据本发明的实施例的使用多个扬声器在再现区域RA中形成所希望的声场的复杂环境中的声场再现情境的详细示意图，所述声场是使用若干麦克风测量的。

任选地，在本发明的一个实施例中，对混响房间RR内部的再现区域RA的声场进行建模。混响房间RR包括横向尺寸D1和D2，例如，分别是8m和6m。如图2中所说明，在圆形布置中，扬声器110放置在混响房间RR内部。

多个麦克风模块120，即，至少两个麦克风模块120，提供在再现区域RA内部，其中麦克风模块120可以放置在位于再现区域RA中的不同位点125上。

图3示出根据本发明的实施例的用于评估声学传递函数的方法的流程图，其中声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数。

用于评估声学传递函数的方法包括以下步骤，其中声学传递函数用作从一个声源到再现区域的传递函数。

作为用于评估声学传递函数的方法的第一步骤，借助于扣除模块10进行从输入信号中减去S1自由场部分以获得测量到的校正声场部分。

作为用于评估声学传递函数的方法的第二步骤，借助于估计模块20执行基于一系列加权后的至少一个平面波函数来计算S2所估计的校正声场部分。

作为用于评估声学传递函数的方法的第三步骤，借助于传递函数生成模块30执行基于所估计的校正声场部分和自由场部分生成S3声学传递函数。

在提供于本发明中的方法的一个实施例中，估计模块可以借助于非凸优化计算所估计的校正声场部分。

可以使用多种非凸优化技术：通过连续半正定规划(semidefiniteprogramming，SDP)松弛的双松弛或平方和规划、通过连续几何规划(GeometricProgramming，GP)松弛的符号规划，以及利用问题中的特定结构以用于高效的分布式试探法。

在提供于本发明中的方法的一个实施例中，非凸优化用于通过使用迭代重加权最小二乘法求解加权后的l²范数优化。

任选地，在本发明的一个实施例中，迭代重加权最小二乘法(iterativelyreweighted，IRLS)的方法可用于求解优化问题。迭代重加权最小二乘法的方法可用于找到广义线性模型一个最大似然估计，并且在稳健回归中找到M-估计量，作为在另外通常分布式数据组中减少离群值的影响的方式。举例来说，通过最小化最小绝对误差而非最小化最小均方误差。

换句话说，可以如下描述用于评估声学传递函数的方法：

再现区域上的扬声器之间的声学传递函数被分成基本组分、自由场格林函数和校正声场。

根据本发明的一个实施例，一系列加权后的至少一个平面波函数包括选自基于稀疏性假设由加权因子r进行加权的基础平面波函数的预定义组Φ的所评估数目个平面波函数：

v＝Φr

理想自由场解对应于再现区域上的自由场格林函数；校正声场对应于由于反射、混响而由房间添加的声场。因此，再现区域中的实际测量到的声场对应于确定的自由场声场和校正声场的叠加。

根据本发明的一个实施例，所述方法通过使用来自至少一个麦克风模块的输入信号开始，随后减去声场的确定自由场部分。之后，执行基于稀疏性假设的校正声场的估计，并且将校正声场添加到确定自由场部分以生成声学传递函数。

因此，获得再现区域上的扬声器之间的声学传递函数。

图4示出根据本发明的另一实施例的用于评估声学传递函数的方法的流程图，其中声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数。

由于在亥姆霍兹解域中，校正声场仅由相对少量的基础亥姆霍兹波场(例如，平面波)产生，所以稀疏性假设成立。因此，校正声场的估计被表述为压缩感测问题。

任选地，在本发明的一个实施例中，可以应用用于描述由若干层组成的域中的波传播的亥姆霍兹等式的多种求解方法。所述求解方法适用于层具有不同材料参数的问题，所述层还可以在子域内平稳地改变。

在图4中示出了校正声场估计的流程图。

作为校正声场估计的第一步骤S11，就测量向量v和冗余词典提供输入数据：

测量向量v包含在所选择区域内的随机位置处给定源的声学传递函数的校正部分的测量以及表示从多种角度到达的独立平面波的的列。

作为校正声场估计的第二步骤S12，进行非凸优化：

$\begin{array}{cc}\underset{r}{\min }\left|\right|r|{|}_p^p,s.t.& v=\mathrm{\&Phi;}r\end{array}$

r被称作平面波域中的校正声场的支集，并且r是K稀疏信号K≤2M+1＜＜N，其中M是截断长度。v是不相关基础的线性投影。

作为校正声场估计的第三步骤S13，校正声场R(x,k)的估计被推导为基于r的平面波的经加权序列。

最后，作为校正声场估计的第四步骤S14，R(x,k)被添加到确定自由场部分。

图5示出根据本发明的实施例的用于评估声学传递函数的系统的示意图，其中声学传递函数是从一个声源到再现区域的传递函数。

用于评估声学传递函数的系统100可以包括扣除模块10、估计模块20和传递函数生成模块30。

由到再现区域RA的至少一个声源生成的声场通过有限数目个麦克风模块120采样。

任选地，在本发明的一个实施例中，用于评估声学传递函数的系统100可以与移动装置200耦合、提供到移动装置200中或集成在移动装置200中，或与电话会议装置300耦合、提供到电话会议装置300中或集成在电话会议装置300中，或与音频装置400耦合、提供到音频装置400中或集成在音频装置400中。

换句话说，术语“集成在……中”意味着系统100组装在移动装置200或电话会议装置300或音频装置400的外壳中或罩盖中。

扣除模块10可以用于从输入信号中减去自由场部分以获得测量到的校正声场部分。

估计模块20可以用于基于一系列加权后的至少一个平面波函数来计算所估计的校正声场部分。

传递函数生成模块30可以用于基于所估计的校正声场部分和自由场部分生成声学传递函数。

本文所述的系统的单元和模块，例如，扣除模块10和/或估计模块20和/或传递函数生成模块30可以通过电子电路实现或通过集成电子电路实现或通过单片集成电路实现，其中电路的电路元件中的全部或一些是不可分离地相关联的和电互连的。

任选地，在本发明的一个实施例中，扣除模块10可以用于将测量向量v用作输入信号并且其中测量向量v通过以有限数目个麦克风模块对再现区域进行采样获得。

根据本发明的另一个实施例，一系列加权后的至少一个平面波函数可以包括选自基于稀疏性假设由加权因子r进行加权的基础平面波函数的预定义组的所评估数目个平面波函数。

任选地，估计模块20可以用于借助于非凸优化计算所估计的校正声场部分。

任选地，在本发明的一个实施例中，非凸优化可以用于通过使用迭代重加权最小二乘法求解加权后的l²范数优化。

在本发明的另一个实施例中，非凸优化可以用于估计加权因子r。

本发明还支持包含计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，这些计算机可执行代码或计算机可执行指令在执行时使得至少一台计算机执行本文所述的执行及计算步骤。

通过以上教示，对于本领域技术人员来说，许多替代方案、修改及变化是显而易见的。当然，本领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。

虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其它单元可以完成权利要求中描述的几个项目的功能。

在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。

计算机程序可存储或分布在合适的媒体上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储媒体或者固态媒体，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分布。

Claims (15)

1.一种用于评估声学传递函数的系统(100)，其特征在于，所述声学传递函数是从一个声源到再现区域(reproductionarea，RA)的传递函数，所述系统包括：

扣除模块(10)，用于从输入信号中减去自由场部分以获得测量到的校正声场部分；

估计模块(20)，用于基于一系列加权后的至少一个平面波函数来计算所估计的校正声场部分；以及

传递函数生成模块(30)，用于基于所述所估计的校正声场部分和所述自由场部分生成所述声学传递函数。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，

其特征在于，所述扣除模块(10)用于将测量向量v用作所述输入信号，其中所述测量向量v通过以有限数目个麦克风模块对所述再现区域进行采样获得。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统(100)，

其特征在于，至少一个平面波函数的所述经加权序列包括选自基于稀疏性假设由加权因子r进行加权的基础平面波函数的预定义组Φ的所评估数目个平面波函数。

4.根据前述权利要求1到3中任一权利要求所述的系统(100)，

其特征在于，所述估计模块(20)用于借助于非凸优化计算所述所估计的校正声场部分。

5.根据权利要求4所述的系统(100)，

其特征在于，所述非凸优化用于通过使用迭代重加权最小二乘法求解加权后的l²范数优化。

6.根据权利要求4所述的系统(100)，

其特征在于，所述非凸优化用于估计加权因子r。

7.一种包括根据权利要求1到6中任一权利要求所述的系统的移动装置。

8.一种包括根据权利要求1到6中任一权利要求所述的系统的电话会议装置。

9.一种包括根据权利要求1到6中任一权利要求所述的系统的音频装置。

10.一种用于评估声学传递函数的方法，其特征在于，所述声学传递函数用作从一个声源到再现区域的传递函数，所述方法包括以下步骤：

借助于扣除模块(10)从输入信号中减去(S1)自由场部分以获得测量到的校正声场部分；

借助于估计模块(20)基于一系列加权后的至少一个平面波函数来计算(S2)所估计的校正声场部分；以及

借助于传递函数生成模块(30)基于所述所估计的校正声场部分和所述自由场部分生成(S3)所述声学传递函数。

11.根据权利要求10所述的方法，

其特征在于，测量向量v用作所述输入信号，其中所述测量向量v通过以有限数目个麦克风模块对所述再现区域进行采样获得。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，

其特征在于，至少一个平面波函数的所述经加权序列包括选自基于稀疏性假设由加权因子r进行加权的基础平面波函数的预定义组Φ的所评估数目个平面波函数。

13.根据前述权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，

其特征在于，所述估计模块(20)进一步借助于非凸优化计算所述所估计校正声场部分。

14.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，所述非凸优化用于通过使用迭代重加权最小二乘法求解加权后的l²范数优化。

15.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，所述非凸优化用于估计加权因子r。