CN106162482A - 一种用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于抑制啸叫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，计算所述扬声器阵列(4)在每个控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；由此计算矩阵R_b和R_d；根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式计算矩阵Q；根据R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元(203)的滤波器系数。

Description

一种用于抑制啸叫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，特别涉及一种用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声系统及方法。

背景技术

在当前的扩声系统中，常使用弧形扬声器阵列来获取具有指向性且均匀分布的声场，目前针对扬声器阵列的声场优化方法，主要有波阵面修正技术、数字几何辐射控制(Digital and Geometric Radiation Control，简称DGRC)技术、SINC函数理论、二次剩余序列(简称QR)以及遗传算法等方法。其中波阵面修正技术是利用光学中的菲涅耳原理对扬声器阵列辐射的波阵面进行优化，而类似的DGRC技术可以在直线阵列中产生类似弧形阵列的声场，方便实际应用中阵列的安装和调试。此外，还有基于SINC函数理论、二次剩余序列以及遗传算法等优化方法，可以获得更为均匀的全指向性扬声器阵列辐射声场以及更大的辐射功率。

但是以上的这些方法都是针对扬声器阵列本身的辐射特性进行优化，无法根据实际的扩声环境对扩声声场进行调整。同时它们都仅考虑了扩声区域声场的优化，对非扩声区域的声场没有加以约束，因此在使用时容易产生声反馈，反馈严重时就会导致系统不稳定，进而产生啸叫，影响扩声质量的同时也极大的限制了系统的可用增益。目前扩声系统中主流的啸叫抑制技术都是使用陷波器，在啸叫发生后对啸叫信号所在频点进行滤波，未曾预先对声反馈路径中的幅度响应进行抑制。

针对现有扩声系统无法根据扩声区域具体环境对非扩声区域声场进行控制，无法预防啸叫发生的缺点，需要寻找更为有效的方法预防和抑制扩声系统中的啸叫现象，增加系统的最大可用增益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有扬声器阵列扩声系统中存在的无法约束非扩声区域声场从而无法有效抑制啸叫的缺陷，提供了一种可以根据扩声环境对声场进行调节，并从根本上抑制啸叫发生的扬声器阵列扩声系统和方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于抑制啸叫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/数转换将麦克风采集的声信号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；

所述参数设定单元201，用于设定所述扬声器阵列4、扩声目标区域和扩声麦克风区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的单元个数L、扩声目标区域控制点的个数M和扩声麦克风区域控制点的个数N；所述M个扩声目标区域控制点均匀分布在扩声目标区域内；所述N个扩声麦克风区域控制点均匀分布在扩声麦克风区域内；

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，计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；计算所述扬声器阵列4在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算矩阵R_b和R_d；在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算矩阵Q；根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元203的滤波器系数；

所述滤波器组处理单元203包含L个滤波器，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。

基于上述用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声系统，本发明还提供了一种用于抑制啸叫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、扩声目标区域和扩声麦克风区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的单元个数L、扩声目标区域控制点的个数M和扩声麦克风区域控制点的个数N；所述M个扩声目标区域控制点均匀分布在扩声目标区域内；所述N个扩声麦克风区域控制点均匀分布在扩声麦克风区域内；

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，计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；计算所述扬声器阵列4在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算矩阵R_b和R_d；在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算矩阵Q；根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元203的滤波器系数；

步骤3)所述输入信号处理模块1启动，通过模/数转换将麦克风采集的声信号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、扩声目标区域和扩声麦克风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，根据扩声目标区域的相对位置确定M个扩声目标区域控制点的坐标；根据扩声麦克风区域的相对位置确定N个扩声麦克风区域控制点的坐标；

步骤2-2)根据L个扬声器单元的坐标、M个扩声目标区域控制点的坐标和N个扩声麦克风区域控制点的坐标；计算所述扬声器阵列4在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；

步骤2-3)根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算出扩声目标区域和扩声麦克风区域对应的R_b和R_d矩阵；

步骤2-4)在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，列出扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算出对应的矩阵Q；所述均衡控制点为扩声目标区域中心位置的控制点；

步骤2-5)根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；

单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值的表达式为：

$\underset{w}{\max }\frac{w^T{R}_{b}w}{w^T(\mathrm{\β}{R}_d+(1-\mathrm{\β})Q+\mathrm{\δI})w}$

其中，β为声能量对比度和幅度响应均衡参数之间的比例调节参数，δ为鲁棒性调节参数，该方程的解w为矩阵R_b的最大特征值所对应的特征向量；

步骤2-6)将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的系数。

上述技术方案中，所述步骤2-3)具体为：

设扬声器阵列4各通道的时域滤波器系数为：w_l(i),l＝1,2,…,L,i＝1,2,…,I，其中I为时域滤波器长度，则所述扬声器阵列4在第m个扩声目标区域控制点上的时域冲激响应p_m(n)为：

$p_m\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(h_{\mathrm{lm}}\⊗w_l)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(i\right)h_{\mathrm{lm}}(n-i)\right],n=\mathrm{0,2},...,I+K-2$

其矩阵形式为：

p_m＝H_mw

其中，p_m＝[p_m(1),…,p_m(I+K-1)]^T，大小为(I+K-1)×1；w是大小为IL×1的滤波器系数向量，其表达式为：

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

扩声目标区域控制点上的平均声能量e_b的表达式为：

$e_b=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m^T{p}_m=w^T{R}_{b}w$

其中R_b为：

$R_b=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m^T{H}_m$

用同样的方法列出扩声麦克风区域的平均声能量e_d的表达式为：

$e_d=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n^T{p}_n=w^T{R}_{d}w$

$R_d=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_n^T{H}_n$

其中，p_n为所述扬声器阵列4在第n个扩声麦克风区域控制点上的时域冲激响应向量。

上述技术方案中，所述步骤2-4)具体为：

所述均衡控制点在数字频率ω上的频域响应表达式为：

$p(r_e,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{I+K-2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_e\left(n\right)e^{-\mathrm{j\ωn}}$

其中e为均衡控制点在所述M个扩声目标区域控制点对应的数字序号；

矩阵形式为：

p(r_e,ω)＝w^Ts_e(ω)

其中s_e(ω)为：

$s_e\left(\mathrm{\ω}\right)=H_e^T{[1,e^{-\mathrm{j\ω}},...e^{-\mathrm{j\ω}(I+M-2)}]}^T$

在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，设置扩声系统的扩声频率范围的中心频率点为参考频率点，列出所述均衡控制点的平均幅度响应波动参数的表达式：

$\mathrm{RV}=\frac{1}{J}\underset{J=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|p(r_e,{\mathrm{\ω}}_j)-p(r_e,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}})|}^2=w^T\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|s_e\left({\mathrm{\ω}}_j\right)-s_e\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\right)|}^2{w=w}^T\mathrm{Qw}$

其中ω_j(j＝1…J)表示第j个频率点归一化到数字频率后的值，ω_ref表示参考频率点归一化到数字频率后的值，矩阵Q的表达式如下：

$Q=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|s_e\left({\mathrm{\ω}}_j\right)-s_e\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\right)|}^2.$

本发明的优点在于：

1、本发明通过设计特定的滤波器，使扬声器阵列扩声系统在非扩声目标区域的声场得到有效约束，减少由于声波泄漏导致的回声和混响，从根本上抑制啸叫的发生；

2、本发明对扬声器阵列扩声系统在扩声目标区域上幅度响应进行了调节，可以获得平滑的目标区域幅度响应；

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扬声器阵列扩声系统中，当需要扩声的目标区域大小发生变化时，可以实时计算滤波器组的滤波器系数，实现对啸叫抑制效果的灵活和有效的调节。

附图说明

图1为本发明的用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声系统的组成图；

图2为本发明的用于抑制啸叫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、扩声目标区域和扩声麦克风区域的位置示意图。

附图标识：

1、输入信号处理模块 2、滤波模块 3、多通道功率放大器

4、扬声器阵列 201、参数设定单元 202、滤波器组生成单元

203、滤波器组处理单元

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，一种用于抑制啸叫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/数转换将麦克风采集的声信号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；

所述参数设定单元201，用于设定所述扬声器阵列4、扩声目标区域和扩声麦克风区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的单元个数L、扩声目标区域控制点的个数M和扩声麦克风区域控制点的个数N；所述M个扩声目标区域控制点均匀分布在扩声目标区域内；所述N个扩声麦克风区域控制点均匀分布在扩声麦克风区域内；

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，计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；计算所述扬声器阵列4在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算矩阵R_b和R_d；在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算矩阵Q；根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元203的滤波器系数；

所述滤波器组处理单元203包含L个滤波器，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。

基于上述用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声系统，本发明还提供了一种用于抑制啸叫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、扩声目标区域和扩声麦克风区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的单元个数L、扩声目标区域控制点的个数M和扩声麦克风区域控制点的个数N；所述M个扩声目标区域控制点均匀分布在扩声目标区域内；所述N个扩声麦克风区域控制点均匀分布在扩声麦克风区域内；

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，计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；计算所述扬声器阵列4在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算矩阵R_b和R_d；在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算矩阵Q；根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元203的滤波器系数；

如图2所示，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)根据所述扬声器阵列4、扩声目标区域和扩声麦克风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，根据扩声目标区域的相对位置确定M个扩声目标区域控制点的坐标；根据扩声麦克风区域的相对位置确定N个扩声麦克风区域控制点的坐标；

步骤2-2)根据L个扬声器单元的坐标、M个扩声目标区域控制点的坐标和N个扩声麦克风区域控制点的坐标；计算所述扬声器阵列4在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；

通过音频测量仪器测量或使用扬声器阵列各单元的响应模型；获取所述L个扬声器单元到M个扩声目标区域控制点的时域冲激响应；获取所述L个扬声器单元到N个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应；

设第l(l＝1…L)个扬声器单元到第m(m＝1…M)个扩声目标区域控制点的时域冲激响应表达式为h_lm(k),k＝1,2,…,K，其中K为时域冲激响应长度；是第l个扬声器单元到第m个扩声目标区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵，大小为(I+K-1)×I，其表达式为：

H_m是所述扬声器阵列4在第m个扩声目标区域控制点上的时域冲激响应组成的卷积矩阵，大小为(I+K-1)×IL，其表达式为：

$H_m=[H_{1m}^{\mathrm{conv}},...,H_{\mathrm{lm}}^{\mathrm{conv}},...,H_{\mathrm{Lm}}^{\mathrm{conv}}]$

同样得到所述扬声器阵列4在第n个扩声麦克风区域控制点上的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_n。

步骤2-3)根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算出扩声目标区域和扩声麦克风区域对应的R_b和R_d矩阵；

设扬声器阵列4各通道的时域滤波器系数为：w_l(i),l＝1,2,…,L,i＝1,2,…,I，其中I为时域滤波器长度，则所述扬声器阵列4在第m个扩声目标区域控制点上的时域冲激响应p_m(n)为：

$p_m\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(h_{\mathrm{lm}}\⊗w_l)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(i\right)h_{\mathrm{lm}}(n-i)\right],n=\mathrm{0,2},...,I+K-2$

其矩阵形式为：

p_m＝H_mw

其中，p_m＝[p_m(1),…,p_m(I+K-1)]^T，大小为(I+K-1)×1；w是大小为IL×1的滤波器系数向量，其表达式为：

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

扩声目标区域控制点上的平均声能量e_b的表达式为：

$e_b=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m^T{p}_m=w^T{R}_{b}w$

其中R_b为：

$R_b=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m^T{H}_m$

用同样的方法列出扩声麦克风区域的平均声能量e_d的表达式为：

$e_d=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n^T{p}_n=w^T{R}_{d}w$

$R_d=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_n^T{H}_n$

其中，p_n为所述扬声器阵列4在第n个扩声麦克风区域控制点上的时域冲激响应向量；

以上是计算扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量；另外，由于计算各个控制点上平均声能量时使用的是时域冲激响应，因此还需要对这一响应的平坦度进行约束。

步骤2-4)在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，列出扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算出对应的矩阵Q；所述均衡控制点为扩声目标区域中心位置的控制点；

所述均衡控制点在数字频率ω上的频域响应表达式为：

$p(r_e,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{I+K-2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_e\left(n\right)e^{-\mathrm{j\ωn}}$

其中e为均衡控制点在所述M个扩声目标区域控制点对应的数字序号；

矩阵形式为：

p(r_e,ω)＝w^Ts_e(ω)

其中s_e(ω)为：

$s_e\left(\mathrm{\ω}\right)=H_e^T{[1,e^{-\mathrm{j\ω}},...e^{-\mathrm{j\ω}(I+M-2)}]}^T$

在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，设置扩声系统的扩声频率范围的中心频率点为参考频率点，列出所述均衡控制点的平均幅度响应波动参数的表达式：

$\mathrm{RV}=\frac{1}{J}\underset{J=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|p(r_e,{\mathrm{\ω}}_j)-p(r_e,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}})|}^2=w^T\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|s_e\left({\mathrm{\ω}}_j\right)-s_e\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\right)|}^2{w=w}^T\mathrm{Qw}$

其中ω_j(j＝1…J)表示第j个频率点归一化到数字频率后的值，ω_ref表示参考频率点归一化到数字频率后的值，矩阵Q的表达式如下：

$Q=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|s_e\left({\mathrm{\ω}}_j\right)-s_e\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\right)|}^2$

步骤2-5)根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；

单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值的表达式为：

$\underset{w}{\max }\frac{w^T{R}_{b}w}{w^T(\mathrm{\β}{R}_d+(1-\mathrm{\β})Q+\mathrm{\δI})w}$

其中，β为声能量对比度和幅度响应均衡参数之间的比例调节参数，δ为鲁棒性调节参数，β和δ根据扩声应用的实际情况通过仿真计算确定。

该方程的解w为矩阵[βR_d+(1-β)Q+δI]^-1R_b的最大特征值所对应的特征向量。

步骤2-6)将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的系数；

步骤3)所述输入信号处理模块1启动，通过模/数转换将麦克风采集的声信号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，下面将结合具体的实施例对本发明的方法做进一步的描述。

本实施例中，如图3所示，扩声系统使用的扬声器阵列为线阵列，由8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3m。扩声目标区域为地面上2～12m的这段区域，扩声麦克风区域为原点为O，半径为2m的圆内。这两个区域中的控制点均匀分布，间距为0.1m。此外，本实施例中，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800阶。

步骤101)按照设定的参数计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；

步骤102)按照点声源模型，计算每个扬声器单元到每个控制点的时域冲击响应，由此获得矩阵H_m和H_n，并进一步计算出扩声目标区域和扩声麦克风区域对应的R_b和R_d矩阵；

步骤103)设扩声频带中参考频率点的数量J为800，根据扩声目标区域控制点对应的矩阵H_m，计算出扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式中的矩阵s_e(ω)，并进一步计算出对应的矩阵Q；

步骤104)根据以上步骤得到的参数，计算矩阵[βR_d+(1-β)Q+δI]^-1R_b的最大特征值所对应的特征向量，该特征向量为滤波器组向量w，其中参数β的初始值设为0.5，δ的初始值设为0.001，并根据计算得到的滤波器组的实际效果反复试验进行调整。

为了说明本发明的方法在抑制啸叫性能的优越性，本发明的方法与一般指向性可调线阵列的扩声方法的抑制啸叫效果如表1所示，其中抑制啸叫的效果的指标为啸叫抑制后系统最大稳定增益的值。

表1

方法	一般指向性可调线阵列	本发明方法
			输入信号放大倍数(dB)	29.82	50.88
啸叫频点(Hz)	241	474

可以看到，使用本发明的方法，系统在啸叫刚好发生前的增益为50dB，而一般指向性可调线阵列的增益最大值为30dB，因此本发明的方法将扩声系统的最大可用增益提升了20dB，充分说明了本发明的方法的有效性。

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 (5)

1.一种用于抑制啸叫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/数转换将麦克风采集的声信号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)；

所述参数设定单元(201)，用于设定所述扬声器阵列(4)、扩声目标区域和扩声麦克风区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的单元个数L、扩声目标区域控制点的个数M和扩声麦克风区域控制点的个数N；所述M个扩声目标区域控制点均匀分布在扩声目标区域内；所述N个扩声麦克风区域控制点均匀分布在扩声麦克风区域内；

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，计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；计算所述扬声器阵列(4)在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算矩阵R_b和R_d；在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算矩阵Q；根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元(203)的滤波器系数；

所述滤波器组处理单元(203)包含L个滤波器，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。

2.一种用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声方法，基于权利要求1所述的用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声系统实现，所述方法包括：

步骤1)启动参数设定单元(201)；设定所述扬声器阵列(4)、扩声目标区域和扩声麦克风区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的单元个数L、扩声目标区域控制点的个数M和扩声麦克风区域控制点的个数N；所述M个扩声目标区域控制点均匀分布在扩声目标区域内；所述N个扩声麦克风区域控制点均匀分布在扩声麦克风区域内；

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，计算每个扬声器单元和每个控制点的坐标；计算所述扬声器阵列(4)在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算矩阵R_b和R_d；在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，根据扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算矩阵Q；根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元(203)的滤波器系数；

步骤3)所述输入信号处理模块(1)启动，通过模/数转换将麦克风采集的声信号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所述的用于抑制啸叫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)、扩声目标区域和扩声麦克风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，根据扩声目标区域的相对位置确定M个扩声目标区域控制点的坐标；根据扩声麦克风区域的相对位置确定N个扩声麦克风区域控制点的坐标；

步骤2-2)根据L个扬声器单元的坐标、M个扩声目标区域控制点的坐标和N个扩声麦克风区域控制点的坐标；计算所述扬声器阵列(4)在每个扩声目标区域控制点和每个扩声麦克风区域控制点的时域冲激响应组成的卷积矩阵H_m和H_n；

步骤2-3)根据扩声目标区域和扩声麦克风区域的平均声能量表达式，计算出扩声目标区域和扩声麦克风区域对应的R_b和R_d矩阵；

步骤2-4)在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，列出扩声目标区域中均衡控制点的平均幅度响应波动参数表达式，计算出对应的矩阵Q；所述均衡控制点为扩声目标区域中心位置的控制点；

步骤2-5)根据矩阵R_b、R_d和Q，求解向量w，使单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值；

单点均衡的时域声能量对比控制达到最大值的表达式为：

$\underset{w}{\max }\frac{w^T{R}_{b}w}{w^T(\mathrm{\β}{R}_d+(1-\mathrm{\β})Q+\mathrm{\δI})w}$

其中，β为声能量对比度和幅度响应均衡参数之间的比例调节参数，δ为鲁棒性调节参数，该方程的解w为矩阵[βR_d+(1-β)Q+δI]^-1R_b的最大特征值所对应的特征向量；

步骤2-6)将向量w转换为滤波器的形式；得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的系数。

4.根据权利要求3所述的用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声方法，其特征在于，所述步骤2-3)具体为：

设扬声器阵列(4)各通道的时域滤波器系数为：w_l(i),l＝1,2,…,L,i＝1,2,…,I，其中I为时域滤波器长度，则所述扬声器阵列(4)在第m个扩声目标区域控制点上的时域冲激响应p_m(n)为：

$p_m\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(h_{\mathrm{lm}}\⊗w_l)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(i\right)h_{\mathrm{lm}}(n-i)\right],n=\mathrm{0,2},\·\·\·,I+K-2$

其矩阵形式为：

p_m＝H_mw

其中，p_m＝[p_m(1),…,p_m(I+K-1)]^T，大小为(I+K-1)×1；w是大小为IL×1的滤波器系数向量，其表达式为：

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

扩声目标区域控制点上的平均声能量e_b的表达式为：

$e_b=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m^T{p}_m=w^T{R}_{b}w$

其中R_b为：

$R_b=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m^T{H}_m$

用同样的方法列出扩声麦克风区域的平均声能量e_d的表达式为：

$e_d=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n^T{p}_n=w^T{R}_{d}w$

$R_d=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_n^T{H}_n$

其中，p_n为所述扬声器阵列(4)在第n个扩声麦克风区域控制点上的时域冲激响应向量。

5.根据权利要求4所述的用于抑制啸叫的扬声器阵列扩声方法，其特征在于，所述步骤2-4)具体为：

所述均衡控制点在数字频率ω上的频域响应表达式为：

$p(r_e,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{I+K-2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_e\left(n\right)e^{-\mathrm{j\ωn}}$

其中e为均衡控制点在所述M个扩声目标区域控制点对应的数字序号；

矩阵形式为：

p(r_e,ω)＝w^Ts_e(ω)

其中s_e(ω)为：

$s_e\left(\mathrm{\ω}\right)=H_e^T{[1,e^{-\mathrm{j\ω}},\·\·\·e^{-\mathrm{j\ω}(I+M-2)}]}^{\text{T}}$

在扩声系统的扩声频率范围内均匀选取J个频率点，设置扩声系统的扩声频率范围的中心频率点为参考频率点，列出所述均衡控制点的平均幅度响应波动参数的表达式：

$\mathrm{RV}=\frac{1}{J}\underset{J=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|p(r_e,{\mathrm{\ω}}_j)-p(r_e,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}})|}^2=w^T\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|s_e\left({\mathrm{\ω}}_j\right)-s_e\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\right)|}^{2}w=w^T\mathrm{Qw}$

其中ω_j(j＝1…J)表示第j个频率点归一化到数字频率后的值，ω_ref表示参考频率点归一化到数字频率后的值，矩阵Q的表达式如下：

$Q=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{|s_e\left({\mathrm{\ω}}_j\right)-s_e\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\right)|}^2.$