CN106231503B - 一种用于车内分区域控制的音频系统及控制方法 - Google Patents
一种用于车内分区域控制的音频系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统及控制方法，属于用于空间声场控制的音频系统与控制方法领域。本发明的用于车内分区域控制的音频系统，由输入信号控制单元，功率放大器和扬声器阵列构成；所述输入信号控制单元的输出端通过音频线连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过音频线连接扬声器阵列。基于本发明提出的用于车内分区域控制的音频系统的控制方法，首先测量扬声器阵列分别到汽车前区和后区内控制点的电声传递函数；然后根据乘客需求，定义控制场景，并构建频域内的控制模型；对该模型求解，最终得到扬声器阵列激励信号。本发明能实现车内前后两排区域声场相互独立、互不干扰，满足乘客的多种声音需求。
Description
技术领域
本发明属于用于空间声场控制的音频系统与控制方法技术领域，特别涉及一种能在汽车内部(任意普通汽车)实现分区域控制的音频系统及控制方法。
背景技术
目前，为享受个人私密的影音环境(如采用手机、笔记本等电子产品的音频系统)时，仍以用户个体佩戴耳机为主，但长时间的耳机佩戴，不仅会引起用户的不适感也会损伤用户听力。直接采用车载或影音系统的扬声器播放又会打扰周围他人。因而实现个人用户区域独立的声音环境，成为重要的需求。
汽车产品的普及，导致汽车舱内已成为一个常用的可进行多种类音频信号播放的听音环境。多种声音在车舱内长时间的混杂，会导致车内乘客的烦恼度增强，乘客期望拥有独立私人的声环境的需求也随之强烈。例如部分乘客想聆听动感音乐缓解疲劳的同时，其他乘客想拥有相对安静的乘车环境；或是驾驶员想聆听导航语音的同时，后排乘客想开启车载影音系统；或是车内期望同时播放两种不同的音乐，但互不干扰等等。
上述情景的实现，都可以简化成一个目标：在特定区域内产生目标声场，定义该区域为明区；同时降低该区域声场对其他区域的影响，其他区域定义为暗区。目前南安普顿大学提出了一种采用布置于汽车车门处的4个中低频扬声器与布置于座椅头靠位置的8个中高频扬声器组合的播放阵列，用于实现车内前后两排区域声场的独立控制。设置车舱前区为明区时，该播放系统能使得明暗区声能量对比度在20Hz～10kHz频带内都大于11dB，实现前后区的独立控制。但设置车舱后区为明区时，明暗区声能量对比度在1～4KHz频带内小于10dB，不能较好的降低车舱后区声场对前区的影响。
梳状扫描电声传递函数测量方法通过扫频方式获得了较高的信噪比，同时通过多通道扬声器阵列分频段同时激励的方式实现了多通道传递函数的同步测量，兼顾了电声传递函数矩阵测量的准确性和效率。
原始对偶内点算法融合了对偶原理、拉格朗日乘子法、内点罚函数和牛顿法，具有更好的灵活度，为解决凸优化问题的主要算法之一。
发明内容
本发明的目的是针对已有扬声器阵列结构在设置车舱后区为明区时某些频带内不能很好的实现分区域控制的不足，提供一种用于车内分区域控制的音频系统及控制方法。本发明能实现车内前后两排区域声场相互独立、互不干扰，满足乘客的多种声音需求。
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统，其特征在于，该系统由输入信号控制单元，功率放大器和扬声器阵列构成；所述输入信号控制单元的输出端通过音频线连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过音频线连接扬声器阵列。
一种基于本发明提出的用于车内分区域控制的音频系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)采用梳妆扫描电声传递函数测量方法，测量扬声器阵列分别到汽车前区和后区内控制点的电声传递函数ZF(f)和ZR(f)，如式(1)和式(2)所示；
式中，ZF(f)为扬声器阵列到前区内M个控制点的电声传递函数矩阵；ZR(f)为扬声器阵列到后区内N个控制点的电声传递函数矩阵；L为扬声器个数；
hFml(f)表示第l个扬声器到前区第m个控制点的电声传递函数，l＝1,2，...L，m＝1,2，...M，计算式如式(3)所示：
hRnl(f)表示第l个扬声器到后区第n个控制点的电声传递函数，n＝1,2，...N，计算式如式(4)所示：
式(3)和式(4)中，Xl(f)为第l个扬声器的输入电信号；Yml(f)为基于第l个扬声器发声，采集得到的前区第m个控制点的声信号；Ynl(f)为基于第l个扬声器发声，采集得到的后区第n个控制点的声信号；f表示在频域内；
2)根据乘客需求，定义控制场景；控制场景为设置前区为明区、后区为暗区，即ZB(f)＝ZF(f)，ZD(f)＝ZR(f)；或者后区为明区、前区为暗区，即ZB(f)＝ZF(f)，ZD(f)＝ZR(f))；ZB(f)，ZD(f)分别表示频域内明区和暗区的电声传递函数矩阵；
定义控制场景后，构建频域内的控制模型，如式(5)所示：
式中，pD(f)＝ZD(f)q(f)为暗区声场；pB(f)＝ZB(f)q(f)为明区声场；pBT(f)为明区期望达到的目标声场；q(f)为扬声器阵列的激励信号；K1为控制前后明区声场重建性能的限制参数；K2为使扬声器阵列的电声传递特性满足线性的限制参数；λ1,λ2≥0为拉格朗日乘子；
3)基于原始对偶内点法求解式(5)，得到扬声器阵列的激励信号q(f)，再通过时频变换，得到时域的扬声器阵列激励信号q(t)，完成车内声场的分区域控制。
本发明的特点及优点在于：
1无论是实现车内前区为明区还是后区为明区，采用本发明提出的音频系统进行车内分区域控制时，都能实现明暗区的声能量对比度在20Hz～10kHz频带内大于11dB。
2本发明提出的音频系统基于扬声器阵列实现车内前后两区域的独立控制，用户无需佩戴耳机，避免了长时间佩戴耳机带来的不适感。
3本发明提出的控制方法在扬声器阵列功率限制的基础上，通过设置明区声场重建性能的约束参数，可调控明区重建性能与明暗区声能量对比度之间的平衡；该控制方法在保证明区声场得以精确重现的最低要求下，可实现明暗区声能量对比度最大化。
附图说明
图1为实车俯视视角时，车舱内部区域划分示意图。
图2为本发明的用于车内分区域控制的音频系统总体结构示意图。
图3为本发明的音频系统中输入信号控制单元的结构框图。
图4为本发明的音频系统中扬声器阵列布置示意图。
图5为本发明实施例的音频系统在某车内实现前区为明区、后区为暗区和后区为明区、前区为暗区的控制效果图。
具体实施方式
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统及控制方法，下面结合附图和具体实施例进一步说明如下。
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统，用于实现车内分区域控制，所采用车辆为任意普通汽车即可，车内区域划分如基于实车俯视视角的图1所示。图1中，汽车车舱11内区域划分为前排乘客区域即前区12(立体视角如图2中的25)和后排乘客区域即后区13(立体视角如图2中的26)。
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统，其总体结构如图2所示；该系统由输入信号控制单元22，功率放大器23和扬声器阵列24构成。所述输入信号控制单元22的输出端通过音频线27连接功率放大器23的输入端，功率放大器23的输出端通过音频线27连接扬声器阵列24。
本发明的音频系统中输入信号控制单元22的结构框图如图3所示，由安装在一个控制器(所述控制器可以不采用计算机，只要带有声卡即可；本实施例采用台式联想电脑K320机型，图中未显示)主板上的一个多通道声卡(本实例采用RME HDSPemadi MADI)和一个多通道DA数模转换器(本实例采用RME M-32DA)。多通道声卡的输入端与控制器主板PCI插槽连接，其输出端通过光纤与多通道DA数模转换器的输入端连接，所述多通道DA数模转换器的输出端通过音频线27与功率放大器23(本实例采用EodExo EB-40A)相连，功率放大器23与扬声器阵列24通过音频线27连接，最终将音频信号传递给扬声器阵列24，实现播放功能。本发明系统的控制信号单元使用多通道独立声卡，保证多通道音频信号的同步输出以及扬声器阵列24中的每个扬声器能实现独立控制。本装置所采用的各部分部件采用常规产品即可实现。
本发明的用于车内分区域控制的音频系统中扬声器阵列布置方案如图4所示。扬声器阵列由4个中低频扬声器41(本实例采用惠威H5)和8个中高频扬声器42(本实例采用自制扬声器)组成。4个中低频扬声器41布置在汽车车门(汽车标配的4个车载扬声器位置)处，用于实现20～200Hz频带内的分区域控制；8个中高频扬声器42安装在车顶上，用于实现200～20kHz频带内的分区域控制，其中4个中高频扬声器42置于前区12与后区13的中间处，剩余4个中高频扬声器42置于前后四个主要乘客位置的头顶上方。本实施例中，单个自制的置于车顶的中高频扬声器是由四个扬声器单元(本实施例采用TEBM36S12-8/A)在一长方体木盒上组装而成。所述中低频扬声器和中高频扬声器采用常规产品即可实现。
本发明系统中所有部件均采用常规产品即可实现。
一种基于本发明提出的用于车内分区域控制的音频系统的控制方法，包括以下步骤：
1)采用适用于多输入多输出系统的梳妆扫描电声传递函数测量方法，测量扬声器阵列24到前区12、后区13内控制点的电声传递函数ZF(f)和ZR(f)，如式(1)和式(2)所示；
式中，ZF(f)为扬声器阵列24到前区12内M个控制点的电声传递函数矩阵；ZR(f)为扬声器阵列24到后区13内N个控制点的电声传递函数矩阵；L为扬声器个数，(本发明提出的音频系统中L＝12，本实施例中M＝12,N＝12)；
hFml(f)表示第l个扬声器到前区第m个控制点的电声传递函数，l＝1,2，...L，m＝1,2，...M，计算式如式(3)所示：
hRnl(f)表示第l个扬声器到后区第n个控制点的电声传递函数，n＝1,2，...N，计算式如式(4)所示：
式(3)和式(4)中，Xl(f)为第l个扬声器的输入电信号；Yml(f)为基于第l个扬声器发声，采集得到的前区第m个控制点的声信号；Ynl(f)为基于第l个扬声器发声，采集得到的后区第n个控制点的声信号；f表示在频域内；
2)根据乘客需求，定义控制场景；控制场景为设置前区为明区、后区为暗区(ZB(f)＝ZF(f)，ZD(f)＝ZR(f))，或者后区为明区、前区为暗区(ZB(f)＝ZF(f)，ZD(f)＝ZR(f))。ZB(f)，ZD(f)分别表示频域内明区和暗区的电声传递函数矩阵。定义控制场景后，构建频域内的控制模型，如式(5)所示：
式中，pD(f)＝ZD(f)q(f)为暗区声场；pB(f)＝ZB(f)q(f)为明区声场；pBT(f)为明区期望达到的目标声场；q(f)为扬声器阵列的激励信号；K1为控制前后明区声场重建性能的限制参数；K2为使扬声器阵列的电声传递特性满足线性的限制参数；λ1,λ2≥0为拉格朗日乘子；
3)基于原始对偶内点法求解式(5)，得到扬声器阵列的激励信号q(f)，再通过时频变换，得到时域的扬声器阵列激励信号q(t)，完成车内声场的分区域控制。
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统的控制方法，为平衡声场重建性能与声能比的控制方法(Sound Quality-Acoustic Contrast Control,SQ-ACC)，其控制思想是，在扬声器阵列的电声特性满足线性条件下，约束明区声场重建性能的前提下，尽可能降低暗区声场的声能量。
本发明提出的一种用于车内分区域控制的音频系统，其工作原理如下：通过乘客需求设置前区为明区或者后区为明区，然后基于本发明提出的SQ-ACC控制方法处理得到扬声器阵列的音频信号，通过输入信号的控制单元以及功率放大器，最终输送到扬声器阵列，由扬声器阵列实现前区和后区内不同声音的需求。
图5描述了本发明的一个实施例中，基于本发明提出的音频系统，实现前区为明区或者后区为明区时，明暗区的声能量对比度；图5中，黑线的部分表示前区为明区，后区为暗区时的明暗区声能量对比度；灰线的部分表示前区为暗区，后区为明区时的明暗区声能量对比度；由图5可知，可得无论设置前区为明区或者后区为明区，20～10kHz带宽内明暗区的声能比都大于11dB，可认为实现了汽车车舱内前后区域的独立控制。
Claims (1)
1.一种用于车内分区域控制的音频系统的控制方法，其特征在于，该音频系统由输入信号控制单元，功率放大器和扬声器阵列构成；所述输入信号控制单元的输出端通过音频线连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过音频线连接扬声器阵列；所述扬声器阵列由4个中低频扬声器和8个中高频扬声器组成；所述4个中低频扬声器布置在汽车车门标配的4个车载扬声器位置处；所述8个中高频扬声器安装在车顶上，其中4个中高频扬声器置于汽车前区与后区的中间处，剩余4个中高频扬声器置于前后四个乘客位置的头顶上方；该方法包括以下步骤：
1)采用梳状扫描电声传递函数测量方法，测量扬声器阵列分别到汽车前区和后区内控制点的电声传递函数ZF(f)和ZR(f)，如式(1)和式(2)所示；
式中，ZF(f)为扬声器阵列到前区内M个控制点的电声传递函数矩阵；ZR(f)为扬声器阵列到后区内N个控制点的电声传递函数矩阵；L为扬声器个数；
hFml(f)表示第l个扬声器到前区第m个控制点的电声传递函数，l＝1,2，...L，m＝1,2，...M，计算式如式(3)所示：
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hRnl(f)表示第l个扬声器到后区第n个控制点的电声传递函数，n＝1,2，...N，计算式如式(4)所示：
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式(3)和式(4)中，Xl(f)为第l个扬声器的输入电信号；Yml(f)为基于第l个扬声器发声，采集得到的前区第m个控制点的声信号；Ynl(f)为基于第l个扬声器发声，采集得到的后区第n个控制点的声信号；f表示在频域内；
2)根据乘客需求，定义控制场景；控制场景为设置前区为明区、后区为暗区，即ZB(f)＝ZF(f)，ZD(f)＝ZR(f)；或者后区为明区、前区为暗区，即ZB(f)＝ZR(f)，ZD(f)＝ZF(f))；ZB(f)，ZD(f)分别表示频域内明区和暗区的电声传递函数矩阵；
定义控制场景后，构建用于车内声场分区域控制的频域内的控制模型，如式(5)所示：
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式中，pD(f)＝ZD(f)q(f)为暗区声场；pB(f)＝ZB(f)q(f)为明区声场；pBT(f)为明区期望达到的目标声场；q(f)为扬声器阵列的激励信号；K1为控制前后明区声场重建性能的限制参数；K2为使扬声器阵列的电声传递特性满足线性的限制参数；
3)基于原始对偶内点法求解式(5)，得到扬声器阵列的激励信号q(f)，再通过时频变换，得到时域的扬声器阵列激励信号q(t)，完成车内声场的分区域控制。
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