CN106162430B - 一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，包括：输入信号处理模块(1)、滤波模块(2)、多通道功率放大器(3)和扬声器阵列(4)；所述滤波模块(2)包括：参数设定单元(201)、滤波器组生成单元(202)和滤波器组处理单元(203)；所述滤波器组生成单元(202)，用于根据所述参数设定单元(201)设定的参数设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应。本发明的扩声系统能够在目标区域形成均匀分布的声场。

Description

一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法

技术领域

本发明涉及线性扬声器阵列应用领域，特别涉及一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法。

背景技术

在广场演出等长距离户外扩声应用，以及火车站、机场航站楼、体育场馆等大型室内空间的扩声中，扩声系统需要解决许多问题。首先是长扩声距离中，声波的扩散及衰减导致的近远场声压级不一致问题，这就需要扩声声场有良好的均匀度。同时在户外存在着各种噪声以及扩声区域周围建筑物的反射声，大型室内空间中存在很长时间的混响，这些因素对扩声声场的指向性有较高要求，需要增强扩声区域的直达声来提升扩声效果。

而在当前的扩声系统中，一般使用弧形或者J形扬声器阵列来解决声场均匀度的问题。这些扬声器阵列的上部较平直，可以产生带有较好指向性的声波束，从而实现远场的声压级增强；其下部则为弧形，以实现近场的均匀扩声。这些扬声器阵列是使用物理的方法来控制声场，安装时需要进行大量的计算和调试，并且安装好之后扩声效果随之固定，无法根据具体的扩声应用来调节其效果。同时这些扬声器阵列由于形状特殊，只能悬空吊装，需要很大空间且不美观，安全性也有所欠缺。

针对弧形或J形扬声器阵列的以上缺点，近年来出现了指向性可调的直线形扬声器阵列。这类扬声器阵列可以改变波束的偏转角度，扩声效果可以随着扩声需求的变化动态调节。同时其形状为直线型，可以安装在墙壁或者立柱上，对空间的需求较小也更为美观安全。但是这类扬声器阵列的波束控制方法较为简单，产生的声场声压级集中在声波束的主瓣中心处，导致声场分布不均匀。

发明内容

本发明的目的在于克服现有扩声系统中存在的上述问题，提供一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，所述系统包括：输入信号处理模块1、滤波模块2、多通道功率放大器3和扬声器阵列4；

所述输入信号处理模块1，用于通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；

所述滤波模块2包括：参数设定单元201、滤波器组生成单元202和滤波器组处理单元203；所述滤波器组处理单元203包含L个滤波器；

所述参数设定单元201，用于设定所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内，设定所述扬声器阵列4输出的声场能量效率的约束值J_c；

所述滤波器组生成单元202，用于根据所述参数设定单元201设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量p_t,f和所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；

所述滤波器组处理单元203，用于对所述输入信号处理模块1输出的数字音频信号进行滤波处理；

所述多通道功率放大器3包含L个功放，分别对所述滤波器组处理单元203输出的音频信号进行放大；

所述扬声器阵列4，用于将所述L个功放输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。

基于上述产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，本发明还提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，所述方法包括：

步骤1)启动参数设定单元201；设定所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内；设定所述扬声器阵列4输出的声能量效率的约束值J_c；

步骤2)启动滤波器组生成单元202，根据所述参数设定单元201设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量p_t,f和所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；

步骤3)所述输入信号处理模块1启动，通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；

步骤4)所述滤波器组处理单元203启动，对所述输入信号处理模块1输出的数字音频信号进行滤波处理；

步骤5)所述多通道功率放大器3的L个功放分别对所述步骤3)输出的音频信号进行放大；

步骤6)所述扬声器阵列4将所述步骤4)输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。

上述技术方案中，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)根据所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置设定坐标系，根据所述扬声器阵列4的形状和单元个数确定L个扬声器单元的坐标，根据目标区域的相对位置确定M个目标区域控制点的坐标；

步骤2-2)利用L个扬声器单元的坐标和M个目标区域控制点的坐标，计算各个频率点f上目标区域控制点的目标向量p_t,f，以及各个频率点f上所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；

所述目标向量为p_t,f的大小为M×1，p_t,f中的第m个元素为：

其中，r_m为扬声器阵列中心点到第m个目标区域控制点的距离，所述扬声器阵列中心点为所述L个扬声器单元的坐标的平均值；k为波数，k＝2πf/c₀，c₀为空气中的声速；

所述传递函数矩阵H_f的大小为M×L，该矩阵中的第m行第l列元素为第l个扬声器单元到第m个目标区域控制点在频率点f上的传递函数，这一传递函数可以使用音频测试仪器测量得到或者使用声源模型进行仿真计算得到。

步骤2-3)根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量w_f；

步骤2-4)将所述复数权系数向量w_f中的每个复数权系数的幅度和相位组合为滤波器组的频率响应，进行逆傅里叶变换，得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器时域冲激响应。

上述技术方案中，所述步骤2-3)的具体实现过程为：

根据p_t,f、H_f和J_c，列出最优化问题公式：

其中，Re{·}为取元素实部；

定义以下变量：

其中，Im{·}为取元素虚部；

将以上变量带入公式(1)，公式(1)简化为：

使用拉格朗日乘数法求解(2)，令y＝(H₁+λH₂)x，得到：

其中，λ为拉格朗日乘数；

定义变量γ，满足：

-y^T(H₁+λH₂)^-1y≥γ (4)

采用Schur Complement变换，(4)式转换为：

其中λ≥0 (5)

使用凸优化技术求解公式(5)得到y，进而得到x，进而得到频点f上复数权系数向量w_f。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法通过设计特定的目标函数，使扩声系统在扩声的目标区域上形成均匀分布的声场；

2、本发明的方法通过调节扬声器阵列输出的声能量效率的约束值来调节扩声目标区域上的声能量聚焦度，可以有效减少由于声波泄漏导致的回声和混响；

3、本发明的系统可以广泛应用于各种户外及大型室内空间扩声系统中，当需要扩声的区域大小发生变化时，可以实时计算滤波器组的系数，实现对扩声效果的灵活和有效的调节。

附图说明

图1为本发明的产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统的组成图；

图2为本发明的产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法的步骤2)的流程图；

图3为本发明的实施例中扬声器阵列和扩声目标区域的位置示意图；

图4为本发明的实施例中两种方法的扩声目标区域的相对声压级分布示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细阐述。

如图1所示，一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，所述系统包括：输入信号处理模块1、滤波模块2、多通道功率放大器3和扬声器阵列4；

所述输入信号处理模块1，用于通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；

所述滤波模块2包括：参数设定单元201、滤波器组生成单元202和滤波器组处理单元203；所述滤波器组处理单元203包含L个滤波器；

所述参数设定单元201，用于设定所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内；设定所述扬声器阵列4输出的声场能量效率的约束值J_c；

所述滤波器组生成单元202，用于根据所述参数设定单元201设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量p_t,f和所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；

所述滤波器组处理单元203，用于对所述输入信号处理模块1输出的数字音频信号进行滤波处理；

所述多通道功率放大器3包含L个功放，分别对所述滤波器组处理单元203输出的音频信号进行放大；

所述扬声器阵列4，用于将所述L个功放输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。

基于上述产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，本发明还提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，所述方法包括：

步骤1)启动参数设定单元201；设定所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内，设定所述扬声器阵列4输出的声能量效率的约束值J_c；

步骤2)启动滤波器组生成单元202，根据所述参数设定单元201设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量p_t,f和所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；

如图2所示，步骤2)具体包括：

步骤2-1)根据所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置设定坐标系，根据所述扬声器阵列4的形状和单元个数确定L个扬声器单元的坐标，根据目标区域的相对位置确定M个目标区域控制点的坐标；

步骤2-2)利用L个扬声器单元的位置坐标和M个目标区域控制点的坐标，计算各个频率点f上目标区域控制点的目标向量p_t,f，以及各个频率点f上所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；

所述目标向量为p_t,f的大小为M×1，p_t,f中的第m个元素为：

其中，r_m为扬声器阵列中心点到第m个目标区域控制点的距离，所述扬声器阵列中心点为所述L个扬声器单元的坐标的平均值；k为波数，k＝2πf/c₀，c₀为空气中的声速；

所述传递函数矩阵H_f的大小为M×L，该矩阵中的第m行第l列元素为第l个扬声器单元到第m个目标区域控制点在频率点f上的传递函数，这一传递函数通过音频测试仪器测量得到或者使用声源模型进行仿真计算得到。

步骤2-3)根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量w_f；具体过程为：

根据参数p_t,f、H_f和J_c，列出最优化问题公式：

其中，Re{·}为取元素实部；

定义以下变量：

其中，Im{·}为取元素虚部；

将以上变量带入公式(1)，公式(1)简化为：

使用拉格朗日乘数法求解(2)，令y＝(H₁+λH₂)x，得到：

其中，λ为拉格朗日乘数；

定义变量γ，满足：

-y^T(H₁+λH₂)^-1y≥γ (4)

采用Schur Complement变换，(4)式转换为：

其中λ≥0 (5)

使用凸优化技术求解公式(5)得到y，进而得到x，进而得到频点f上复数权系数向量w_f；

步骤2-4)将所述复数权系数向量w_f中的每个复数权系数的幅度和相位组合为滤波器组的频率响应，进行逆傅里叶变换，得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；

步骤3)所述输入信号处理模块1启动，通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；

步骤4)所述滤波器组处理单元203启动，对所述输入信号处理模块1输出的数字音频信号进行滤波处理；

步骤5)所述多通道功率放大器3的L个功放分别对所述步骤3)输出的音频信号进行放大；

步骤6)所述扬声器阵列4将所述步骤4)输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。

为了更好的对本发明进行阐述，下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

在本实施例中，如图3所示，扬声器阵列为线阵列，由16个动圈式扬声器单元组成，单元间距为13cm，位于y轴垂直于地面放置，中心点距离地面高度为6m。扩声目标区域为地面上10～50m的这段区域，其中控制点均匀分布，间距为0.1m，数量为400个。系统采样率为4kHz，频带宽度为0～2kHz，扬声器阵列各单元输入滤波器的阶数为200阶，因此计算时的频率点间隔为10Hz。

为了说明本发明的均匀声场获取方法的性能，如图4所示，在1kHz频率点上，与一般指向性可调线阵列均匀声场获取方法相比，本发明的均匀声场获取方法声场声压级波动范围在5dB以内，而一般的指向性可调阵列均匀声场获取方法产生的声场波动范围高达20dB，充分说明了本发明的均匀声场获取方法的优越性。

本实施例中虽然设定采样频率为4kHz，并选定扩声目标区域为直线，扬声器阵列为直线阵列，但这些仅是对本发明所提供方法的举例说明，并不限定本发明所提供方法的适用频带，目标区域形状和扬声器阵列形状。

以上实施例仅用于说明本发明的技术应用方案，而非对本发明保护范围的限制。任何对本发明的技术方案进行的等效替换或者修改，均不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，所述系统包括：输入信号处理模块(1)、滤波模块(2)、多通道功率放大器(3)和扬声器阵列(4)；

所述输入信号处理模块(1)，用于通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；

所述滤波模块(2)包括：参数设定单元(201)、滤波器组生成单元(202)和滤波器组处理单元(203)；所述滤波器组处理单元(203)包含L个滤波器；

所述参数设定单元(201)，用于设定所述扬声器阵列(4)和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内，设定所述扬声器阵列(4)输出的声场能量效率的约束值J_c；

所述滤波器组生成单元(202)，用于根据所述参数设定单元(201)设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量p_t,f和所述扬声器阵列(4)到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应；

根据p_t,f、H_f和J_c，列出最优化问题公式：

其中，Re{·}为取元素实部；

定义以下变量：

其中，Im{·}为取元素虚部；

将以上变量带入公式(1)，公式(1)简化为：

使用拉格朗日乘数法求解(2)，令y＝(H₁+λH₂)x，得到：

其中，λ为拉格朗日乘数；

定义变量γ，满足：

-y^T(H₁+λH₂)^-1y≥γ (4)

采用Schur Complement变换，(4)式转换为：

使用凸优化技术求解公式(5)得到y，进而得到x，进而得到频点f上复数权系数向量w_f

所述滤波器组处理单元(203)，用于对所述输入信号处理模块(1)输出的数字音频信号进行滤波处理；

所述多通道功率放大器(3)包含L个功放，分别对所述滤波器组处理单元(203)输出的音频信号进行放大；

所述扬声器阵列(4)，用于将所述L个功放输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。

2.一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，基于权利要求1所述的产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统实现，所述方法包括：

步骤1)启动参数设定模块(201)；设定所述扬声器阵列(4)和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内；设定所述扬声器阵列(4)输出的声能量效率的约束值J_c；

步骤2)启动滤波器组生成单元(202)，根据所述参数设定单元(201)设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量p_t,f和所述扬声器阵列(4)到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应；

步骤3)所述输入信号处理模块(1)启动，通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；

步骤4)所述滤波器组处理单元(203)启动，对所述输入信号处理模块(1)输出的数字音频信号进行滤波处理；

步骤5)所述多通道功率放大器(3)的L个功放分别对所述步骤3)输出的音频信号进行放大；

步骤6)所述扬声器阵列(4)将所述步骤4)输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。

3.根据权利要求2所述的产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)根据所述扬声器阵列(4)和目标区域的相对位置设定坐标系，根据所述扬声器阵列(4)的形状和单元个数确定L个扬声器单元的坐标，根据目标区域的相对位置确定M个目标区域控制点的坐标；

步骤2-2)利用L个扬声器阵列单元的坐标和M个目标区域控制点的坐标，计算各个频率点f上目标区域控制点的目标向量p_t,f，以及各个频率点f上所述扬声器阵列(4)到目标区域控制点的传递函数矩阵H_f；

所述目标向量p_t,f的大小为M×1，p_t,f中的第m个元素为：

其中，r_m为扬声器阵列中心点到第m个目标区域控制点的距离，所述扬声器阵列中心点为所述L个扬声器单元的坐标的平均值；k为波数，k＝2πf/c₀，c₀为空气中的声速；

所述传递函数矩阵H_f的大小为M×L，则该矩阵中的第m行第l列元素为第l个扬声器阵列单元到第m个控制点在频率点f上的传递函数，这一传递函数通过音频测试仪器测量得到或者使用声源模型进行仿真计算得到；

步骤2-3)根据p_t,f、H_f和J_c设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于J_c的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量w_f；

步骤2-4)将所述复数权系数向量w_f中的每个复数权系数的幅度和相位组合为滤波器组的频率响应，进行逆傅里叶变换，得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器时域冲激响应。

4.根据权利要求3所述的产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，其特征在于，所述步骤2-3)的具体实现过程为：

根据p_t,f、H_f和J_c，列出最优化问题公式：

其中，Re{·}为取元素实部；

定义以下变量：

其中，Im{·}为取元素虚部；

将以上变量带入公式(1)，公式(1)简化为：

使用拉格朗日乘数法求解(2)，令y＝(H₁+λH₂)x，得到：

其中，λ为拉格朗日乘数；

定义变量γ，满足：

-y^T(H₁+λH₂)^-1y≥γ (4)

采用Schur Complement变换，(4)式转换为：

使用凸优化技术求解公式(5)得到y，进而得到x，进而得到频点f上复数权系数向量w_f。