CN109889955B - 一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法,其采用鲁棒性控制策略,适合大规模量产使用。该方法包括:S1、获取车内收听区域的声场平均频响曲线;S2、设置IIR滤波器的参数;S3、设置鲁棒性控制参数;S4、对频响曲线进行鲁棒行参数纠正,并进行1/N倍频程均滑;S5、将纠正均滑后的频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在选定区间内计算频响曲线的均值,得到均衡目标曲线;S6、寻找均衡区域,对均衡区域内的频响曲线进行处理并初步得到IIR滤波器的系数,通过随机搜索优化滤波器系数,将频响曲线根据算出的IIR滤波器系数进行更新;重复步骤S6直至所有IIR滤波器系数计算完成,执行下述步骤:S7、全局优化IIR滤波器分子系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法和系统。
背景技术
对于汽车内的声重放来说,由于在狭小的车内环境下,扬声器辐射到听着的直达声较少,听者所感受的绝大部分声场来自于反射声所形成的声场。这种由反射声所主导的声环境,需要较为复杂以及多次的声场调试才能达到令人满意的声重放效果。
现有的声场自动均衡技术大多针对于房间内声场,然而房间内的声重放环境和车内声重放环境有着明显的区别。而且这些声场均衡技术往往都是针对单个扬声器系统进行优化,针对同一型号不同批次生产的汽车扬声器系统,由于其声学性能可能存在的微小差别,目前的声场均衡技术需要对各系统单独设置均衡参数,不适合大批量生产。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法和系统,其采用鲁棒性控制策略,适合大规模量产使用。
为达到上述目的,本发明采用的一种技术方案为:
一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法,包括如下步骤:
S1、获取车内收听区域的声场平均频响曲线;
S2、设置IIR滤波器的参数;
S3、设置鲁棒性控制参数;
S4、对所述步骤S1获取的频响曲线进行鲁棒性参数纠正,并进行1/N倍频程均滑,N为大于1的正整数;
S5、将所述步骤S4纠正均滑后的频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在选定区间内计算频响曲线的均值,得到均衡目标曲线;
S6、寻找均衡区域,对均衡区域内的频响曲线进行处理并初步得到IIR滤波器的系数,通过随机搜索优化滤波器系数,将频响曲线根据算出的IIR滤波器系数进行更新;
重复步骤S6直至所有IIR滤波器系数计算完成,执行下述步骤:
S7、全局优化IIR滤波器分子系数。
进一步地,所述步骤S2具体包括:
频响曲线响应为:
其中,ω为角频率,g(ω)为理想频响,am(ω)为乘性随机误差幅度,j为θm(ω)为乘性随机误差相位,aa(ω)为加性随机误差幅度,θa(ω)为加性随机误差相位,并假定在区间 [0,2π]内均匀分布,为带误差频响;
均衡目标函数为:
其中,h(ω)为在频率ω所求的均衡滤波器响应,d(ω)为频率ω处的目标响应,min为求最小值,E{}为求期望;
则最优均衡滤波器响应hopt(ω)为:
其中μm,a(ω)为乘性误差幅度的期望值E{am(ω)},μm,θ(ω)为乘性误差相位的期望值σm,a(ω)为乘性误差幅度平方的期望值E{am(ω)2},σa,a(ω)为加性误差幅度平方的期望值E{aa(ω)2};
进一步地,所述步骤S6中,在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,按照面积大小先找最大峰值区域,如果峰值区域平均值大于指定阈值Peak_Ratio,则将此区域作为均衡区域,如果峰值区域平均值小于指定阈值Peak_Ratio,则按照面积大小找出最大谷值区域,同时与最大峰值区域进行对比,保留最大区域作为均衡区域,其中Fre_Low为下限频率,Fre_High为上限频频率。
更进一步地,所述步骤S6包括如下步骤:
S61、在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,先进行过零点粗搜索区域,按照面积大小先找最大峰值区域,如果峰值区域平均值大于指定阈值Peak_Ratio,则将此区域作为粗均衡区域,如果峰值区域平均值小于指定阈值Peak_Ratio,则按照面积大小找出最大谷值区域,同时与最大峰值区域进行对比,保留最大区域作为粗均衡区域,其中Fre_Low为下限频率,Fre_High为上限频频率;
S62、在粗均衡区域基础上,进一步细化区域,对粗均衡区域先进行均滑,在此基础上,寻找峰谷点,按照峰谷进行化分区域,寻找其中的最大区域作为细均衡区域;
S63、对细均衡区域内的频响曲线进行均滑,并与均衡目标曲线值相减,寻找相减值的最大绝对值对应的相减值G以及对应的频率Fc,并分别从细均衡区域的两侧开始查找最接近G/2 值对应的频率F1和F2,获取品质因数根据参数G、Fc和Q计算IIR参量滤波器的系数;
S64、进入随机搜索,对G、Fc和Q加随机扰动变量,根据新值重新计算滤波器系数,并同时判断新滤波器在细均衡区域的效果,如果效果改善,则保留新值,否则保留旧值,进行多次随机搜索,确定最终的G、Fc和Q值;
S65、将频响曲线根据已经算出的IIR均衡滤波器系数进行更新,作为下一级IIR均衡滤波器的初始频响曲线。
更进一步地,所述步骤S61中,峰值区域为在均衡目标曲线上方的区域,谷值区域为在均衡目标曲线下方的区域,区域平均值为其中area是区域面积,area_high_fre是区域上限频率,area_low_fre是区域下限频率。
优选地,所述步骤S1中,在频响曲线测量开始至结束过程中,通过在收听区域内移动麦克风位置以覆盖整个收听区域。
进一步地,所述步骤S2中,设置所述IIR滤波器的个数、级联架构,所述IIR滤波器的传递函数为其中z-1、z-2为延时单元,b0,b1,b2为分子滤波器系数,a0, a1,a2为分母滤波器系数,并指定均衡的频率区间,下限频率为Fre_Low,上限频频率为Fre_High。
进一步地,所述步骤S5中,如目标响应曲线不为恒定值,则将步骤S4纠正均滑后的频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在频率区间[Fre_Low,Fre_High] 内,计算频响曲线的均值,作为所述均衡目标曲线。
进一步地,所述步骤S7中,固定所有IIR均衡滤波的分母系数,将所有二阶IIR滤波器的分子部分通过卷积变成一个FIR滤波器,通过最小二乘法等方法在全局频响区间进行最优化,获取最终系数。
本发明还采用如下技术方案:
一种用于执行如上所述的鲁棒性自动均衡方法的车内声场的鲁棒性自动均衡系统,包括:
音源输入模块,其用于接收音源和麦克风的输出;
处理模块,其用于接收所述音源输入模块的输出并执行上述步骤S1-S7;
功放模块,其用于接收所述处理模块的输出并驱动扬声器。
所述处理模块具体包括:频响曲线获取模块、均衡参数获取模块以及IIR滤波器。其中,所述音源输入模块的输出作为所述频响曲线获取模块的输入,所述频响曲线获取模块的输出作为所述均衡参数获取模块的输入,所述均衡参数获取模块的输出和所述音源输入模块的输出共同作为所述IIR滤波器的输入,所述IIR滤波器的输出作为所述功放模块的输入。
本发明采用以上方案,相比现有技术具有如下优点:
在车内对整个声场系统进行均衡;采用IIR结构,可以有效节省资源,降低硬件成本,增强产品竞争力;采用自动均衡方式,降低调音工程师工作量,能节省大量的时间和人力;因为在车内,相比于频响谷值,人耳对频响峰值更敏感,在资源有限的情况下,可以优先优化频响峰值;在资源有限的情况下,收敛速度更快,所需滤波器阶数更少;在资源有限的情况下,按顺序优先均衡频响比较差的区域;针对同一批次的声场配置系统,采用鲁棒性控制策略,可以直接采用一套参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法的流程图;
图2为滤波器的结构框图;
图3示出了均滑前和1/3倍频程均滑后的频响曲线;
图4示出了均滑后频响曲线和均衡目标曲线;
图5示出了粗均衡区域和细均衡区域;
图6a和图6b分别示出了采用5级二阶IIR滤波器有峰值优先选择和无峰值优先选择的均衡效果图;
图7示出了采用30级二阶IIR滤波器的均衡效果图;
图8为根据本发明的一种车内声场的鲁棒性自动均衡系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
参照图1所示,一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法,包括步骤S1至步骤S7,其流程如下:
S1、获取车内收听区域的声场平均频响曲线;
S2、设置IIR滤波器的参数;
S3、设置鲁棒性控制参数;
S4、对所述步骤S1获取的频响曲线进行鲁棒性参数纠正,并进行1/N倍频程均滑,N为大于1的正整数;
S5、将所述步骤S4纠正均滑后的频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在选定区间内计算频响曲线的均值,得到均衡目标曲线;
S6、寻找均衡区域,对均衡区域内的频响曲线进行处理并初步得到IIR滤波器的系数,通过随机搜索优化滤波器系数,将频响曲线根据算出的IIR滤波器系数进行更新;依次包括粗搜索区域、细搜索区域、初步确定IIR滤波器参数及通过随机搜索优化IIR滤波器参数;
判断是否是最后一级IIR滤波器,当结果为否,重复步骤S6;直至所有IIR滤波器系数计算完成,结果为是,执行下述步骤S7,
S7、全局优化IIR滤波器分子系数。
上述鲁棒性自动均衡方法具体如下:
A.测量车内收听区域内的声场平均频响:确定收听区域,采用扫频或噪声信号等测量声场平均频响。其中,使用单个传声器,在频响曲线测量开始至结束过程中,通过在收听区域内缓慢移动麦克风位置以覆盖整个收听区域。
B.自动均衡
1、如图2所示的滤波器架构,指定二阶IIR滤波器的个数Order,级联架构,二阶IIR滤波器传递函数为其中z-1、z-2为延时单元,b0,b1,b2为分子滤波器系数,a0,a1,a2为分母滤波器系数,同时指定均衡的频率区间,下限频率为Fre_Low,上限频频率为Fre_High,在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,如不指定,默认频率区间为[20,20000]Hz。
2、获取鲁棒性控制参数,
假设频响曲线响应为:
其中,ω为角频率,g(ω)为理想频响,am(ω)为乘性随机误差幅度,j为θm(ω)为乘性随机误差相位,aa(ω)为加性随机误差幅度,θa(ω)为加性随机误差相位,并假定在区间 [0,2π]内均匀分布,为带误差频响;
均衡目标函数为:
其中,h(ω)为在频率ω所求的均衡滤波器响应,d(ω)为频率ω处的目标响应,min为求最小值,E{}为求期望;
则最优均衡滤波器响应hopt(ω)为:
其中,μm,a(ω)为乘性误差幅度的期望值E{am(ω)},μm,θ(ω)为乘性误差相位的期望值σm,a(ω)为乘性误差幅度平方的期望值E{am(ω)2},σa,a(ω)为加性误差幅度平方的期望值E{aa(ω)2}。
即使同一型号的系统也会存在差别,本申请中通过鲁棒性控制策略,对需要均衡的频响提前进行纠正,使得最终获得的参数可适应更广的范围,适合大规模量产使用。
3、对A中获取的频响曲线按步骤2进行鲁棒性参数纠正,并按照人耳听觉特性进行1/N 倍频程均滑,其中N取大于1的任意正整数。均滑前和均滑后的频响曲线见图3。
4、如图4所示,如目标响应曲线不为恒定值,则将步骤3中的进行纠正均滑后频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,计算频响曲线的均值,作为均衡目标曲线。
5、如图5所示,在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,先进行过零点粗搜索区域,选择步骤为,按照面积大小先找最大峰值区域,如果峰值区域平均值大于指定阈值Peak_Ratio,则将此区域作为粗均衡区域,如果峰值区域平均值小于指定阈值Peak_Ratio,则按照面积大小找出最大谷值区域,同时与最大峰值区域进行对比,保留最大区域作为粗均衡区域。其中峰值区域是指在均衡目标曲线上方的区域,谷值区域是指在均衡目标曲线下方的区域。区域平均值是指其中area是指区域面积,area_high_fre是指区域上限频率,area_low_fre是指区域下限频率。
由于人耳对峰值区域更敏感,该步骤优先保证了对峰值区域进行均衡。如图6a和6b所示,在加入峰值优先后,只需使用5级二阶IIR滤波器以后,所有峰值都被拉平,但无峰值优先无法做到这一点,在车内声场中,人耳往往对峰值更加敏感,在资源有限的情况下,需要优先对峰值区域做均衡。
6、如图5所示,在粗均衡区域基础上,进一步细化区域,对粗均衡区域先进行均滑,在此基础上,寻找峰谷点,按照峰谷进行化分区域,寻找其中的最大区域作为细均衡区域。
由于每次对一个区域采用的是一个二阶Peak IIR参量滤波器进行滤波,二阶PeakIIR参量滤波器通常只对一个峰谷区域均衡较好,而一个粗均衡区域通常有多个峰谷存在,因此需要进一步细化区域。
7、对细均衡区域内的频响曲线进行均滑,并与均衡目标曲线值相减,寻找相减值的最大绝对值对应的相减值G以及对应的频率Fc,并分别从细均衡区域的两侧开始查找最接近G/2 值对应的频率F1和F2,获取品质因数根据参数G、Fc和Q计算二阶PeakIIR参量滤波器的系数。
例如按照如下公式计算,采样频率为Fs:
ω0=2*π*F*c/Fs
alpha=sin(ω0)/(2*Q)
b0=1+alpah*A
b1=-2*cos(ω0)
b2=1-alpha*A
a0=1+alpha/A
a1=-2*cos(ω0)
a2=1-alpha/A
8、进入随机搜索,对G、Fc和Q加随机扰动变量,根据新值重新计算滤波器系数,并同时判断新滤波器在细均衡区域的效果,如果效果改善,则保留新值,否则保留旧值,进行多次随机搜索,一般建议50–100次,确定最终的G、Fc和Q值。
9、将频响曲线根据已经算出的二阶IIR均衡滤波器系数进行更新,作为下一级二阶IIR 均衡滤波器的初始频响曲线,并重复步骤5–8直至所有二阶IIR均衡滤波器系数全部计算完。
10、固定所有二阶IIR均衡滤波的分母系数,将所有二阶IIR滤波器的分子部分通过卷积变成一个FIR滤波器,其系数可调,可以通过最小二乘法等方法在全局频响区间进行最优化,获取最终系数。
从前面可以看出,确定IIR滤波器系数有一定的随机成份,且在细均衡区域进行操作,无法做到全局最优化,通过最后一步,做系数全局最优化。图7示出了30级二阶滤波器下的均衡效果。
本实施例还提供一种用于执行如上所述的鲁棒性自动均衡方法的车内声场的自动均衡系统。参照图8所示,该自动均衡系统包括:
音源输入模块1,其用于接收音源和麦克风的输出;
处理模块2,其用于接收所述音源输入模块1的输出并执行上述步骤S1-S7;
功放模块3,其用于接收所述处理模块2的输出并驱动扬声器4。
所述处理模块2为DSP芯片,具体包括:频响曲线获取模块21、均衡参数获取模块22以及IIR滤波器23。其中,所述音源输入模块1的输出作为所述频响曲线获取21模块的输入,所述频响曲线获取模块21的输出作为所述均衡参数获取模块22的输入,所述均衡参数获取模块22的输出和所述音源输入模块1的输出共同作为所述IIR滤波器23的输入,所述IIR滤波器23的输出作为所述功放模块3的输入。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,是一种优选的实施例,其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种车内声场的鲁棒性自动均衡方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、获取车内收听区域的声场平均频响曲线;
S2、设置IIR滤波器的参数;
S3、设置鲁棒性控制参数;
S4、对所述步骤S1获取的频响曲线进行鲁棒性参数纠正,并进行1/N倍频程均滑,N为大于1的正整数;
S5、将所述步骤S4纠正均滑后的频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在选定区间内计算频响曲线的均值,得到均衡目标曲线;
S6、寻找均衡区域,对均衡区域内的频响曲线进行处理并初步得到IIR滤波器的系数,通过随机搜索优化滤波器系数,将频响曲线根据算出的IIR滤波器系数进行更新;
重复步骤S6直至所有IIR滤波器系数计算完成,执行下述步骤:
S7、全局优化IIR滤波器分子系数;
所述步骤S6中,在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,按照面积大小先找最大峰值区域,如果峰值区域平均值大于指定阈值Peak_Ratio,则将此区域作为均衡区域,如果峰值区域平均值小于指定阈值Peak_Ratio,则按照面积大小找出最大谷值区域,同时与最大峰值区域进行对比,保留最大区域作为均衡区域,其中Fre_Low为下限频率,Fre_High为上限频率。
2.根据权利要求1所述的鲁棒性自动均衡方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
频响曲线响应为:
其中,ω为角频率,g(ω)为理想频响,am(ω)为乘性随机误差幅度,j为虚数θm(ω)为乘性随机误差相位,aa(ω)为加性随机误差幅度,θa(ω)为加性随机误差相位,并假定在区间[0,2π]内均匀分布,为带误差频响;
均衡目标函数为:
其中,h(ω)为在频率ω所求的均衡滤波器响应,d(ω)为频率ω处的目标响应,min为求最小值,E{}为求期望;
则最优均衡滤波器响应hopt(ω)为:
其中μm,a(ω)为乘性误差幅度的期望值E{am(ω)},μm,θ(ω)为乘性误差相位的期望值σm,a(ω)为乘性误差幅度平方的期望值E{am(ω)2},σa,a(ω)为加性误差幅度平方的期望值E{aa(ω)2};
3.根据权利要求1所述的鲁棒性自动均衡方法,其特征在于,所述步骤S6具体包括如下步骤:
S61、在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,先进行过零点粗搜索区域,按照面积大小先找最大峰值区域,如果峰值区域平均值大于指定阈值Peak_Ratio,则将此区域作为粗均衡区域,如果峰值区域平均值小于指定阈值Peak_Ratio,则按照面积大小找出最大谷值区域,同时与最大峰值区域进行对比,保留最大区域作为粗均衡区域,其中Fre_Low为下限频率,Fre_High为上限频率;
S62、在粗均衡区域基础上,进一步细化区域,对粗均衡区域先进行均滑,在此基础上,寻找峰谷点,按照峰谷进行化分区域,寻找其中的最大区域作为细均衡区域;
S63、对细均衡区域内的频响曲线进行均滑,并与均衡目标曲线值相减,寻找相减值的最大绝对值对应的相减值G以及对应的频率Fc,并分别从细均衡区域的两侧开始查找最接近G/2值对应的频率F1和F2,获取品质因数根据参数G、Fc和Q计算IIR参量滤波器的系数;
S64、进入随机搜索,对G、Fc和Q加随机扰动变量,根据新值重新计算滤波器系数,并同时判断新滤波器在细均衡区域的效果,如果效果改善,则保留新值,否则保留旧值,进行多次随机搜索,确定最终的G、Fc和Q值;
S65、将频响曲线根据已经算出的IIR均衡滤波器系数进行更新,作为下一级IIR均衡滤波器的初始频响曲线。
5.根据权利要求1所述的鲁棒性自动均衡方法,其特征在于,所述步骤S1中,在频响曲线测量开始至结束过程中,通过在收听区域内移动麦克风位置以覆盖整个收听区域。
7.根据权利要求1所述的鲁棒性自动均衡方法,其特征在于,所述步骤S5中,如目标响应曲线不为恒定值,则将步骤S4纠正均滑后的频响曲线除以目标响应曲线作为新的需要均衡的频响曲线,并在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内,计算频响曲线的均值,作为所述均衡目标曲线。
8.根据权利要求1所述的鲁棒性自动均衡方法,其特征在于,所述步骤S7中,固定所有IIR均衡滤波的分母系数,将所有二阶IIR滤波器的分子部分通过卷积变成一个FIR滤波器,通过最小二乘法等方法在全局频响区间进行最优化,获取最终系数。
9.一种用于执行如权利要求1-8任一项所述的鲁棒性自动均衡方法的车内声场的鲁棒性自动均衡系统,包括:
音源输入模块,其用于接收音源和麦克风的输出;
处理模块,其用于接收所述音源输入模块的输出并执行所述步骤S1-S7;
功放模块,其用于接收所述处理模块的输出并驱动扬声器;
所述处理模块包括频响曲线获取模块、均衡参数获取模块以及IIR滤波器。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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