CN107979806A - 一种用于实现车内声场重构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于实现车内声场重构的方法，包括以下步骤：S1：由计算机生成激励信号，并将该激励信号的逆自动粘贴至剪贴板；S2：该激励信号经由声卡、功率放大器发送至左扬声器和右扬声器，由左扬声器和右扬声器同时进行播放；S3：通过假人头的左、右两接收装置进行声音信号的接收，并通过声卡传回计算机进行录制；S4：对该声音信号与剪贴板信号进行卷积，输出声学传输函数；S5：通过正则化快速解卷积方法编写的程序求解该声学传输函数的逆即串扰消除矩阵，并获得合成声音信号，再反馈回左扬声器和右扬声器。相比于现有技术，本发明提出的利用正则化快速解卷积方法，能够用于对声学传输函数求逆，设计滤波器，通过对初始信号的处理再馈给扬声器播放，实现车内串声消除。
Description
技术领域
本发明涉及声场重构领域，特别是一种用于实现车内声场重构的方法。
背景技术
声场重构的方法旨在听者身体所处的物理空间重放一个与目标声场完全相同或者尽可能相近的物理声场，近年来国内外的研究者致力于优化声场重现理论和方法，现在被大规模研究的Ambisonics方法由Gerzon首先提出，首次尝试采用球谐函数来描述声场，它将声场表示成球谐函数和球贝塞尔函数叠加的形式，由两个步骤实现，利用“编码”实现原始声场的拟合，利用“解码”实现扬声器驱动信号的获取。之后的4年，Betlehem研究了Ambisonics 方法在混响场条件下的应用，进行了拓展，进一步对混响场条件下重现的声场方法进行了完善。在对Ambisonics方法的实际应用当中，可能会存在带来数值计算的不稳定问题和次优解问题，以上问题的出现主要是由于用来实现重现的扬声器阵列未能布置成规则的形状(如球形)。此外在使用时，需要安装一定数量的传声器，尤其针对复杂声场的“编码”过程更会涉及到对局部区域内的对大量声场数据的采集，以上因素对Ambisonics方法的实际应用性产生了影响。
Miyoshi等首次提出了通过求解逆滤波的方法在室内实现声场重现，这个理论以扬声器系统均衡函数和声场传输函数为基础，对传递函数求逆来设计平衡空间声场的滤波器。Nelson 指出声场重现中可能出现的其他的问题，提出了声源到接收端这一段过程的滤波器设计方法。 Kirkeby等进一步研究了对声场中离散点声压实行控制的逆卷积方法。上述工作均未涉及声场重现定量指标，也未涉及扬声器驱动的实现方法及试验验证，而定量重现是试验的基本要求。
为了处理引起扬声器驱动信号功率与重现误差的平衡问题的病态性，在工程实际中广泛的使用了Tikhonov正则化方法。实际应用中，物理系统会对扬声器的功率进行制约，因此在平衡扬声器功率限制与合理地选择正则化参数是亟需解决的问题。
综上，现有技术中仍然存在以下技术问题：当前，声场重现主要采用扬声器阵列来实现声场空间信息的重放。该理论要求布置相当数量的理想扬声器，对硬件设备要求较高，实现起来比较困难，使得这种理论的应用受到了很大的限制。如果采用波场合成理论，要求在无源封闭空间的边界布置一系列单极和偶极扬声器来重现任意给定的目标声场。这种合成理论重构效果好，但是需要大量布置理想扬声器，对硬件设备要求较高，实现起来很困难。如果采用高阶波叠加理论，Ambisonics系统理论对声场进行球谐分解，通过选择球谐函数展开阶数来选择重构声场的精度。基于HOA的重现方法在选择较高的阶数和扬声器的情况下可以仿真达到较高的精度，但是目前理论模型针对实际环境重现研究不具体，应用受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种正则化快速解卷积滤波方法，并进行了实现和实车验证。
本发明通过以下的方案实现：一种用于实现车内声场重构的方法，包括以下步骤：
S1：由计算机生成激励信号，并将该激励信号的逆自动粘贴至剪贴板；
S2：该激励信号经由声卡和功率放大器发送至左扬声器和右扬声器，由左扬声器和右扬声器同时进行播放；
S3：通过假人头的左、右两接收装置进行声音信号的接收，并通过声卡传回计算机进行录制；
S4：对该声音信号与剪贴板信号进行卷积，输出声学传输函数；
S5：通过正则化快速解卷积方法编写程序求解该声学传输函数的逆即串扰消除矩阵，并获得合成声音信号，再反馈回左扬声器和右扬声器。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的激励信号由左扬声器播放的声音为表示为 EL，由右扬声器播放的声音为表示为ER；所述步骤S5中的串扰消除矩阵的表达式为：2×2 串声消除网络的矩阵A，以A11、A12、A21、A22作为该矩阵A的矩阵元；经过声音合成后反馈回左扬声器和右扬声器的信号为L’和R’；
则，
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中，左、右扬声器发出的声音传输至假人头的左、右接收装置时，其传输的声学传输函数为：HLL、HLR、HRL、HRR，所述假人头的左、右接收装置的接收的信号为：PL和PR；
作为本发明的进一步改进，所述信号PL和PR分别等于EL和ER，即令
即HA＝I，
其中A串声消除网络的矩阵，I为2×2单元矩阵，如果H是可逆的，则可以得到 A＝H-1。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中计算机通过Adobe Audition的Aurora插件生成激励信号并将激励信号的逆自动粘贴到剪贴板。
相比于现有技术，本发明可以应用在真实车内空间环境内，通过使用DSP均衡器对原始声场空间信息进行捡拾和优化，通过合理布置的扬声器进行重放，在司机身体所处的位置重现一个与目标声场完全相同或者尽可能相近的物理声场。将初始信号先经过滤波器的处理，再馈给扬声器播放，确保正确重放原始信号中包含的空间信息。将经过串扰处理后的信号通过车内扬声器播放，基本实现左扬声器重放的声音到达左耳，右扬声器重放的声音到达右耳，在听觉上产生特定方向的声像。
另外，本发明还针对高保真听音室扬声器阵列的声场重现提出了正则化快速解卷积滤波方法。以这个理论为基础，能够通过小型计算机甚至是DSP等易于安装在车内的硬件设备，构建车内声品质主动控制系统，对扬声器播放的声音进行预处理。无需布置一定数量的扬声器，也无需布置成特定的形状，就可以实现对初始信号的控制，对于车内空间环境的应用具有更大的意义。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明的用于实现车内声场重构的方法的整体步骤流程图。
图2是本实施例中的声场重现的实验平台的连接框图。
图3是本发明的扬声器经串声消除后的声波传输的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于实现车内声场重构的方法。具体通过以下的实施例进行介绍：
首先，请参阅图1，其为本发明的一种用于实现车内声场重构的方法的整体步骤流程图。本发明的一种用于实现车内声场重构的方法，具体包括以下步骤：
S1：由计算机生成激励信号，并将该激励信号的逆自动粘贴至剪贴板。具体的，在本步骤中，所述计算机通过Adobe Audition的Aurora插件生成激励信号并将激励信号的逆自动粘贴到剪贴板。
S2：通过声卡将该激励信号发送至左扬声器和右扬声器，由左扬声器和右扬声器同时进行播放；
S3：通过假人头的左、右两接收装置进行声音信号的接收，并通过声卡传回计算机进行录制；
S4：将双耳接收声音信号与剪贴板信号进行卷积，输出声学传输函数；
S5：通过正则化快速解卷积方法编写程序求解该声学传输函数的逆即串扰消除矩阵，并获得合成声音信号，再反馈回左扬声器和右扬声器。
为了实现上述的方法流程，本实施例中相应提供了一种声场重现的实验平台，请参阅图 2，其为本实施例中的声场重现的实验平台的连接框图。
本实施例的声场重现的实验平台的仪器主要包括：(1)Sennheiser MKE2002假人头一个(2)DELL四核组装电脑一台(3)Roland OCTA-CAPTURE UA1010usb外置录音声卡一个(4)PHILIPS扬声器一对(5)前置放大器一个(6)Sansui功率放大器一个。
以下对本实施例中的主要仪器进行介绍说明：
(1)计算机。
本实施例的计算机用于对音频信号进行播放、处理，主要通过程序AdobeAudition进行实现：其是一个波形编辑器，可以通过添加插件的形式来轻松扩展。这些将自动插入主程序菜单中，提供平滑的集成，就像它们是原始程序的一部分。Adobe Audition涵盖了在声音系统的数字均衡中遇到的许多任务。特别是与本研究目标相关的3个模块是：
利用Aurora插件生成激励信号并将激励信号的逆自动粘贴到剪贴板；
能够同时播放和录制声音文件，并对波形文件进行选择、分析、处理；
任意长度输出采样信号与剪贴板信号实时卷积，产生立体声输出，其是系统脉冲响应。
由于多声道声音编辑软件(Adobe Audition)，测量系统的实际实现是可能的，它被加载到具有4通道全双工声卡(Wave/4)的电脑上。在其多轨模式下，Adobe Audition能够同步回放和记录，从而保持在被测系统的输入和输出之间绝对相位信息。这使得可以生成多声道激励信号，其自动地按顺序地馈送声音系统的两个部分，同时对两个麦克风信号进行采样。在该采集阶段(通常短于1分钟)之后，通过安装软件来处理采样信号，这将在后面描述。
(2)声卡
声卡作为数据的采集单元，我们选择的是Roland OCTA-CAPTURE外置录音声卡。将OCTA-CAPTURE多通道音频接口安装在电脑主板的PCI插槽上，然后安装它的驱动软件，就可以在Adobe Audition中看到OCTA-CAPTURE的混音控制面板和DSP参数设置面板。在混音控制面板中，有音频流的硬件输入和输出进行选择。在DSP参数设置面板中，可以设置灵敏度大小，灵敏度越高，数据采集越准确，但增益也越大，后期容易产生信号溢出。
(3)假人头
假人头双耳接收扬声器重放的声音，左、右声道分别经由1、2多声道端口进入声卡。声卡作为语音信号与计算机的通用接口，输入时，将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，送到计算机进行录音等处理；输出时，将该数字信号转换为模拟信号，通过3、4多声道端口进入功率放大器或线路输出(Line Out)，送到音箱等设备转换为声波，被假人头两端的麦克风检测到。
在这种情况下，激励信号通过声卡的多声道输出端口播放，连接到前置扬声器。这样，不需要中继切换器，但是需要1个功率放大器完全匹配。
多声道输入端口通过适当的校准前置放大器与放置在汽车的前座人工头上的两个双耳麦克风连接。
在执行解卷积之后，结果是2个标准声音文件(WAV格式)，对于每个人工头，包含声音系统的4个部分的4个双耳冲击响应。
请同时参阅图3，其为本发明的扬声器经串声消除后的声波传输示意图。
本实施例采用两个扬声器重放进行声场再现研究试验时，会产生交叉串声，即耳朵除了能够接收到相同一边扬声器发出来的声音，还会接受到另外一边扬声器发出来的声音。很明显，直接将这样的初始信号馈给扬声器播放是不对的，在传输的过程中它所包含的方向位置信息和音色都会发生改变。需要设计一个滤波器，作为串声消除网络，使得初始信号经过这个滤波器处理后再馈给扬声器播放，能够消除交叉串声效应，使得收听者产生更好的主观听觉感受。
自由场情况下，由左扬声器播放的声音为EL，由右扬声器播放的声音为ER。
假设A11、A12、A21、A22分别是2×2串声消除网络的矩阵元，则馈给左右扬声器重放的信号L'和R'满足
对于固定的扬声器摆放位置，将扬声器到双耳4个声学传输函数分别记为HLL、HLR、HRL、HRR，则双耳接收到的来自扬声器的信号PL和PR满足
串声消除的目的是求解串声消除网络矩阵元，使双耳接收到的信号PL和PR分别等于EL和ER，即令
从而使PL＝EL和PR＝ER。公式3可以简记为
HA＝I [公式4]
A是逆滤波器矩阵，I为2×2单元矩阵。H是R×S传输矩阵，如果H是可逆的，则可以得到
A＝H-1 [公式5]
因此逆滤波器的最佳矩阵是
A(z)＝[HT(z-1)H(z)+βI]-1HT(z-1) [公式6]
加入β值是为了解决频域求逆过程中的病态性，我们将矩阵A(z)称为广义串扰消除矩阵。
由公式1和公式2可得
公式7省去了距离变量r0和方向变量φ0，这是因为对于固定的扬声器摆放位置，r0和φ0都是确定的。把单通路信号经过公示7处理后馈给扬声器播放，产生θ0方向的声像，这就是虚拟听觉扬声器重放串声消除的基本原理。在试验室和车内试验中，双耳信号EL、ER和串声消除矩阵合并为一步对原始信号E0进行处理。
在稳定的约束下，导出最优逆滤波器的z变换的表达式是不难的。正则化快速解卷积滤波方法将展示如何计算每个包含R×SNh个系数的逆因果FIR滤波器的矩阵。由于该方法使用快速傅立叶变换(FFT)，因此Nh必须等于2的幂。
公示7给出了A作为频率的连续函数的最佳响应的表达式。如果在单位圆周的Nh点对A 的频率响应采用FFT，则这些频率处A(k)的值由下式给出：
A(k)＝[HH(k)H(k)+βI]-1HH(k) [公式8]
其中k表示第k个频率线，即对应于复数exp(j2πk/Nh)的频率。
因此，为了计算给定β值的逆滤波器a(n)的脉冲响应，需要以下步骤。
1.通过对设备脉冲响应h(n)进行R×SNh点FFT变换计算H(k)。
2.对于k的N h个值中的每一个，从公式8计算S×R矩阵A(k)。
3.通过对A(k)的元素进行S×R Nh点逆FFT，接着循环移位Nh/2来计算a(n)。例如，如果H(k)的IFFT是{3，2，1，0，0，0，1，2}，则h(n)是{0，0，1，2，3，2，1，0}。
注意，执行解卷积所花费的时间不明确地取决于设备脉冲响应中的系数的数量。然而，由于长脉冲响应的解卷积需要长的逆滤波器，因此有效地是设备响应的持续时间确定计算a(n) 所需的总计算工作。
该方法基于精确最小二乘逆滤波器矩阵的分析。即使这些滤波器在实践中通常不能实现，它们的属性表明可以设计一个因果FIR逆滤波器矩阵，在大量离散频率的频域上性能最优。正则化通过确保逆滤波器足够快地衰减来确保循环卷积效应不显著。为了达到一个精确反演，正则化参数β必须设置为适当的值，但幸运的是，β的确切值通常并不重要。
以下结合本实施例中所采用的仪器设备和上述的快速解卷积的方法原理，介绍本发明的操作流程：
本发明的详细步骤如下：
Adobe Audition在多轨模式下打开，每次仅激活一个声道，在显示屏上显示3个立体声波形。在上面的一个波形产生激励信号：采样率为44.1KHZ，扫频范围为20HZ～20KHZ的正弦信号，随后被放置在第一声道上。声卡增益设置为16dB，防止信号在后续处理时溢出。
按REC按钮，Adobe Audition自动播放第一个音轨，不进行录音检查。在记录期间，给出正被记录的信号的实时显示，显示在第二、三个音轨上。
通过解卷积模块将激励信号求逆，放置结果在Windows剪贴板中，Adobe Audition检索到一个新的波形文件。再通过卷积模块处理在声道3、4和5、6上人工头记录中的每一个，得到声源到双耳的声学传输函数hll，hlr，hrl，hrr。我们在波峰波谷附近截取256个点，其余的被丢弃，因为在其回放期间系统尚未达到稳定状态，然后对这段音频文件进行分析；这被重复4次，对应于4个扬声器部分的激励。
测量完成后，使用MATLAB软件分析结果。根据正则化快速解卷积理论编写程序，求出串扰消除矩阵，并对初始双耳信号EL、ER进行处理，生成扬声器播放信号L’、R’。它结合了众所周知的在频域中最小二乘反演的原理和零阶正则化法，这是传统上当面临一个病态的反演问题时使用。
测得重现声场的接收信号YLL、YLR，求出与初始信号EL这一段通路上的传输函数HLL、 HLR以及YRL、YRR，与初始信号ER这一段通路上的传输函数HRL、HRR。
实验结果表明，接收端信号基本能够恢复初始信号，左扬声器发出的信号被左耳接收，发送到右耳的信号基本被消除；右扬声器发出的信号被右耳接收，发送到左耳的信号基本被消除。可以消除扬声器重放系统的串声效应，从而在双耳处接收到真实声源信号。
相比于现有技术，本发明提出的利用正则化快速解卷积方法，能够用于对声学传输函数求逆，设计滤波器，通过对初始信号的处理再馈给扬声器播放，实现车内串扰消除。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于实现车内声场重构的方法，包括以下步骤：
S1：由计算机生成激励信号，并将该激励信号的逆自动粘贴至剪贴板；
S2：该激励信号经由声卡、功率放大器发送至左扬声器和右扬声器，由左扬声器和右扬声器同时进行播放；
S3：通过假人头的左、右两接收装置进行声音信号的接收，并通过声卡传回计算机进行录制；
S4：将双耳接收声音信号与剪贴板信号进行卷积，输出声学传输函数；
S5：通过正则化快速解卷积方法编写的程序求解该声学传输函数的逆即串扰消除矩阵，并获得合成声音信号，再反馈回左扬声器和右扬声器。
2.根据权利要求1所述用于实现车内声场重构的方法，其特征在于：所述步骤S1中的激励信号由左扬声器播放的声音为表示为EL，由右扬声器播放的声音为表示为ER；所述步骤S5中的串扰消除矩阵的表达式为：2×2串声消除网络的矩阵A，以A11、A12、A21、A22作为该矩阵A的矩阵元；经过声音合成后反馈回左扬声器和右扬声器的信号为L’和R’；
则，
3.根据权利要求2所述用于实现车内声场重构的方法，其特征在于：所述步骤S2中，左、右扬声器发出的声音传输至假人头的左、右接收装置时，其传输的声学传输函数为：HLL、HLR、HRL、HRR，所述假人头的左、右接收装置的接收的信号为：PL和PR；
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4.根据权利要求3所述用于实现车内声场重构的方法，其特征在于：所述信号PL和PR分别等于EL和ER，即令
即HA＝I，
其中A为串声消除网络矩阵，I为2×2单元矩阵，如果H是可逆的，则可以得到A＝H-1。
5.根据权利要求1所述用于实现车内声场重构的方法，其特征在于：所述步骤S1中计算机通过Adobe Audition的Aurora插件生成激励信号，并将激励信号的逆自动粘贴到剪贴板。
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