CN111741410B - 一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法及装置。一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法，包括如下步骤：S1、生成扫频信号；S2、将所述扫频信号馈给声重放系统，同步采集所述声重放系统的音频信号，并得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应，并分别转换到频域得到相应的幅频响应；S3、构建所述声重放系统的总谐波失真和所述音频信号的幅度之间的关系；S4、求解最大的幅度，该最大的幅度满足使所述总谐波谐波失真或子带的谐波失真小于设定值；S5、根据所述最大的幅度确定所述动态范围压缩器的阈值。本发明从整个重放系统的非线性失真的角度出发进行的考量，跟实际情况比较吻合且操作便捷。

Description

一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法及装置

技术领域

本发明属于声重放技术领域，涉及一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法及装置。

背景技术

在声重放系统中，考虑到功放和扬声器等部件的动态范围，音频信号的电压幅度不能过大。特别是扬声器，以常用的动圈扬声器为例，当电压幅度过大，音圈位移偏离中间位置过大，磁场力发生变化，带来非线性问题，导致失真，影响重放声音质量。为了更好地重放音频信号，需要对音频信号做一些处理，对音频信号的幅度做一些限制。在扬声器等声重放系统的音效处理中，动态范围压缩是一个常见的技术方案。动态范围压缩的主要工作原理就是调整整个重放系统的增益，当音频信号的幅度小于既定的阈值时，系统的增益不变，也就是动态范围压缩器的增益为1(0dB)；当音频信号的幅度大于既定的阈值时候，系统的增益变小，此时动态范围压缩器的增益就是既定的压缩比，如图1所示。所以动态范围压缩器的两个重要参数就是阈值和压缩比的设置。

在以下专利文献中均介绍到了动态范围压缩器的阈值如何计算。

CN109391877A公开了自动调谐音频压缩器以防止失真，其介绍了压缩器的阈值计算公式，从受到失真约束的活跃扬声器向外驱动的最大幅度导出。但是扬声器受到失真约束的最大幅度如何确定，并没有给出进一步的阐述。

CN105245195B披露了用于具有音质保护的失真减少多频带压缩器的技术，而CN105164918B披露了具有动态阈值的频带压缩。介绍了时变阈值的计算方法，是以一个固定阈值为基础设计的。但是固定阈值的确定并没有给出明确的说明。

CN105612692B公开了用于压缩音频信号的数字压缩器，压缩器的阈值根据输入音频信号的最大幅度和压缩比确定。这只是单纯从音频信号的特性出发，并没有考虑扬声器等声重放设备的特性。

CN102843634B披露了对扬声器输出的控制，介绍了通过估计音圈温度来调整动态压缩器的阈值的方法。

总的，现有技术尚未给出可以实际操作的方案来解决如何设置动态范围压缩器的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种改进的扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法及装置。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法，，包括如下步骤：

S1、生成扫频信号；

S2、将所述扫频信号馈给声重放系统，同步采集所述声重放系统的音频信号，并得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应，并分别转换到频域得到相应的幅频响应；

S3、构建所述声重放系统的总谐波失真和所述音频信号的幅度之间的关系；

S4、求解最大的幅度，该最大的幅度满足使所述总谐波失真或子带的谐波失真小于设定值；

S5、根据所述最大的幅度确定所述动态范围压缩器的阈值。

优选地，所述步骤S3中，所述声重放系统的总谐波失真和音频信号幅度之间的关系如下式：

式中，THD表示总谐波失真，A表示所述音频信号的幅度，H₁、H₂、H₃、H₄、H₅分别表示所述声重放系统的线性脉冲相应、二次谐波脉冲相应、三次谐波脉冲响应、四次谐波脉冲响应及五次谐波脉冲响应的频域的幅频响应。

更优选地，所述步骤S3中，基于一维Volterra滤波器模型，构建所述声重放系统的谐波失真和音频信号的幅度之间的关系。

更优选地，所述步骤S3中，将频带划分为M个子带，构建M个滤波器，形成滤波器组S，其中S＝[S₁，…，S_M]^T；计算各个子带的谐波失真；所述步骤S4中，对每个子带，分别计算各个子带的所述最大的幅度；所述步骤S5中，分别根据各个子带的所述最大的幅度计算每个子带内的动态范围压缩器的阈值。

进一步地，根据下式计算各个子带的谐波失真THD_S：

THD_S＝THD×S

其中，THD_S＝[THD_S1，…，THD_SM]^T，THD_Si表示第i个子带内的谐波失真，i＝1，…，M。

进一步地，所述步骤S3中，将频带均匀划分为多个子带。

进一步地，所述步骤S3中，按照倍频程的方式将频带划分为多个子带。

进一步地，所述步骤S4中，对每个子带，计算子带内的幅度A_i，i＝1，…，M，以满足THD_Si≤10％。

优选地，所述步骤S4中，所述设定值为10％。

本发明的第二个方面提供一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置装置，用于执行如上所述的配置方法，所述配置装置包括：

扫频信号生成模块，用于生成扫频信号；

模数转换模块，用于将所述扫频信号转化为模拟信号；

功放模块，用于将模拟的扫频信号进行功率放大并输出；

扬声器，用于根据所述功放模块的输出将电信号转化为声信号，在声场空间内重放；

麦克风，用于实时采集所述扬声器的声响应信号；

模数转换模块，用于将所述声响应信号转化为数字信号；

脉冲响应计算模块，用于根据所述扫频信号和所述模数转换模块转化后的声响应信号得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应；

时频变换模块，用于将时域的所述线性脉冲响应和所述谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，得到频域的幅频响应；

谐波失真计算模块，计算分析频段内各个频点的谐波失真与幅度之间的关系；

子带滤波器，其用于将频带划分为M个子带，所述子带滤波器的数量为M个；

带内失真最大频点搜寻模块，用于在每个子带内寻找谐波失真最大的频点f_i；

阈值计算模块，用于在每个子带内根据频点f_i处的总谐波失真，计算满足总谐波失真小于等于设定值的信号最大幅度，记作A_i，变换到对数域就可以得到每个子带内的动态范围压缩器的阈值。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

本发明的扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法及装置从整个重放系统的非线性失真的角度出发进行的考量，跟实际情况比较吻合；从客观测量出发，有据可循，有理可依；操作便捷，复杂度小，不需要预知扬声器音圈的温度模型，也不需要扬声器的大信号参数，甚至不需要知道扬声器的特征参数。

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为声重放系统的输出信号幅度随输入信号幅度变化的曲线图；

图2为本发明实施例的一种动态范围压缩器配置流程图；

图3为总谐波失真随频响变化的曲线图；

图4为动态范围压缩器的结构示意图；

图5为本发明实施例的一种动态范围压缩器的配置装置。

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。

实施例1

图2示出了本实施例的一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法的流程，具体步骤描述如下。

步骤一、在数字音频处理器(DSP或者MCU处理器等)中产生一个任意幅度A的扫频信号x(n)，具体方法可以参见专利文献CN106199185B。

步骤二、将生成的扫频信号馈给声重放系统。声重放系统包括数字模拟转换电路、功放电路、扬声器单元及用于同步采集声信号的麦克风。通过麦克风采集扬声器单元的音频信号，得到该声重放系统的线性脉冲响应h₁(n)和二次、三次直到五次谐波脉冲响应h₂(n)...h₅(n)，并变换到频域，得到各自的频域的幅频响应H_q，q＝1，…5。具体方法可以参见专利CN106331951 B。

步骤三、基于一维Volterra滤波器模型，构建整个声重放系统的总谐波失真THD和音频信号幅度A之间的关系，如下式(1)所示：

步骤四、求解最大的幅度A以满足以下不等式(2)：

THD≤10％ (2)；

本实施例中选择10％作为设定值。人耳主观感知失真的机理很复杂，由于音频信号成分复杂，心理声学中的掩蔽效应等诸多因素会影响失真的主观感受测量谐波失真的方法。究竟百分之多少的失真能够被感知，到目前来说都是研究的热点。但是小于1％的失真是人耳不会感知的，也就是听不见的。而超过10％的失真，会让人感觉不舒服的，心理产生烦躁。故而，本实施例中选择10％。

步骤五、确定动态范围压缩器的阈值Th，将幅度A转化为dB的表达。

步骤六、确定动态范围压缩器的压缩比，就可以设定好动态范围压缩器的参数，完成动态范围压缩器的设计。确定动态范围压缩器的压缩比是现有技术中已知的方法，在此不做赘述。

实施例2

本实施例提供扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法，是一种进一步基于子带滤波的动态范围压缩器配置方法，具体步骤描述如下。

步骤一至步骤三同实施例一，即采用与实施例1相同的方法生成扫频信号；将扫频信号馈给声重放系统，同步采集所述声重放系统的音频信号，并得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应，并分别转换到频域得到相应的幅频响应；构建所述声重放系统的总谐波失真和所述音频信号的幅度之间的关系。

步骤四、求解各个子带的最大的幅度，具体包括如下步骤：

1、将20到20000Hz的频带(或者为[0，2π]的频带)均匀划分为M个子带，构建M个滤波器，形成滤波器组S，其中S＝[S₁，…，S_M]^T；在另外一些实施例中，也可以将整个频带非均匀地划分，例如按照倍频程的方式等。

2、依据下式(3)计算子带的谐波失真THD_S

THD_S＝THD×S (3)；

其中THD_S＝[THD_S1，…，THD_SM]^T，THD_Si表示子带内的谐波失真。

3、对每个子带，计算各个子带的幅度A_i，i＝1，…，M，以满足THD_Si≤10％。

步骤五、计算每个子带内的动态范围压缩器的阈值Th_Si，i＝1，…，M。

需要注意的是，参照图4所示，有M个独立的动态范围压缩器，有独自的阈值和压缩比，工作在独立的M个子带内。

扬声器的高失真往往发生在低频段。因为自由场中声波的辐射效率跟声音的频率成正比，所以在低频段和高频段要达到同样的声压级，声源在低频段需要更大的辐射面积或者位移，而更大的位移就会导致引入磁场的非线性进而导致失真。因此整个频段内THD最大的点是在低频。如果整个频带都是基于低频段的THD约束设置动态范围压缩器的阈值，就会导致中高频段内的声能量得不到提升。因此，本实施例在实施例1的配置方法的基础上，进一步提供一种基于子带滤波的动态范围压缩器的配置方法，对整个音频信号进行频带划分，能够更为精细地调整声重放系统的整个频带的效果。

实施例3

参照图5所示，本实施例提供一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置装置，其用于执行如实施例2所述的配置方法。该配置装置包括：

扫频信号生成模块，用于生成扫频信号；

模数转换模块，用于将所述扫频信号转化为模拟信号；

功放模块，用于将模拟的扫频信号进行功率放大并输出；

扬声器，用于根据所述功放模块的输出将电信号转化为声信号，在声场空间内重放；

麦克风，用于实时采集所述扬声器的声响应信号；

模数转换模块，用于将所述声响应信号转化为数字信号；

脉冲响应计算模块，用于根据所述扫频信号和所述模数转换模块转化后的声响应信号得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应；

时频变换模块，用于将时域的所述线性脉冲响应和所述谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，得到频域的幅频响应；

谐波失真计算模块，计算分析频段内各个频点的谐波失真与幅度之间的关系；

子带滤波器，其用于将频带划分为M个子带，所述子带滤波器的数量为M个；

带内失真最大频点搜寻模块，用于在每个子带内寻找谐波失真最大的频点f_i；

阈值计算模块，用于在每个子带内根据频点f_i处的总谐波失真，计算满足总谐波失真小于等于10％的信号最大幅度，记作A_i，变换到对数域就可以得到每个子带内的动态范围压缩器的阈值。

扫频信号生成模块具体参见专利文献CN106199185B，其根据设定的某一幅度，产生扫频信号，并将扫频信号作为输出。该扫频信号经过数模转换模块转换为模拟信号，通过功放发大后，驱动扬声器在声场空间内重放。麦克风同步实时采集扬声器的声响应信号，即上述的音频信号，并通过模数转换模块转换为数字信号。脉冲响应计算模块的输入端分别和扫频信号生成模块及模数转换模块的输出端电性连接，将扫频信号和转换为数字信号的声响应信号作为输出，通过计算得到该声重放系统的线性脉冲响应h₁(n)和二次、三次直到五次谐波脉冲响应h₂(n)...h₅(n)，具体算法可参见专利文献CN106331951B。时频变换模块的输入端和脉冲响应计算模块的输出端电性连接，将时域的线性脉冲响应和谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，分析频段为[0，2π]，得到频域的幅频响应H_q，q＝1，…5。总谐波失真计算模块的输入端和时频变换模块的输出端电性连接，计算分析频段内各个频点的总谐波失真与幅度之间的函数关系，即上述式(1)。子带滤波器的数量为M个，其输入端分别和总谐波失真计算模块的输出端电性连接，将[0，2π]的频带均匀或非均匀划分为M个子带，构建M个滤波器，形成滤波器组S，其中S＝[S₁，…，S_M]^T。带内失真最大频点搜寻模块的数量为M个，各自的输入端分别和相应的子带滤波器的输出端电性连接，在每个子带内，寻找总谐波失真最大的频点，记作f_i。阈值计算模块的数量为M个，各自的输入端分别和相应的带内失真最大频点搜寻模块的输出端电性连接，在每一个子带内，根据频点f_i处的总谐波失真，计算满足总谐波失真小于等于10％的信号最大幅度，记作A_i，变换到对数域就可以得到每个子带内的动态范围压缩器的阈值，记作Th_i。

相比于单纯从音频信号的角度处理，在后续声重放中还是会遇到幅度过大的问题；本发明实施例的上述方法及装置从整个重放系统的非线性失真的角度出发进行的考量，跟实际情况比较吻合。而且上述方法从客观测量出发，有据可循，有理可依；操作便捷，复杂度小，不需要预知扬声器音圈的温度模型，也不需要扬声器的大信号参数，甚至不需要知道扬声器的特征参数。

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 (6)

1.一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、生成扫频信号；

S2、将所述扫频信号馈给声重放系统，同步采集所述声重放系统的声响应信号，根据所述声响应信号得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应，并分别转换到频域得到相应的幅频响应；

S3、构建所述声重放系统的总谐波失真和声重放系统的输入音频信号的幅度之间的关系；

S4、求解最大的幅度，该最大的幅度满足使所述总谐波失真或子带的谐波失真小于设定值；及

S5、根据所述最大的幅度确定所述动态范围压缩器的阈值；

所述步骤S3中，基于一维Volterra滤波器模型，构建所述声重放系统的总谐波失真和所述输入音频信号幅度之间的关系如下式：

式中，THD表示总谐波失真，A表示所述输入音频信号的幅度，H₁、H₂、H₃、H₄、H₅分别表示所述声重放系统的线性脉冲相应、二次谐波脉冲相应、三次谐波脉冲响应、四次谐波脉冲响应及五次谐波脉冲响应的频域的幅频响应；

将频带划分为M个子带，构建M个滤波器，形成滤波器组S，其中S＝[S₁，…，S_M]^T；根据下式计算各个子带的谐波失真THD_S：

THD_S＝THD×S

其中，THD_S＝[THD_S1，…，THD_SM]^T，THD_Si表示第i个子带内的谐波失真，i＝1，…，M；

所述步骤S4中，对每个子带，分别计算各个子带的所述最大的幅度；

所述步骤S5中，分别根据各个子带的所述最大的幅度计算每个子带内的动态范围压缩器的阈值。

2.根据权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述步骤S3中，将频带均匀划分为多个子带。

3.根据权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述步骤S3中，按照倍频程的方式将频带划分为多个子带。

4.根据权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述步骤S4中，对每个子带，计算子带内的幅度A_i，i＝1，…，M，以满足THD_Si≤10％。

5.根据权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述设定值为10％。

6.一种扬声器均衡中动态范围压缩器的配置装置，其特征在于，用于执行如权利要求1至5任一项所述的配置方法，所述配置装置包括：

扫频信号生成模块，用于生成扫频信号；

模数转换模块，用于将所述扫频信号转化为模拟信号；

功放模块，用于将模拟的扫频信号进行功率放大并输出；

扬声器，用于根据所述功放模块的输出将电信号转化为声信号，在声场空间内重放；

麦克风，用于实时采集所述扬声器的声响应信号；

模数转换模块，用于将所述声响应信号转化为数字信号；

脉冲响应计算模块，用于根据所述扫频信号和所述模数转换模块转化后的声响应信号得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应；

时频变换模块，用于将时域的所述线性脉冲响应和所述谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，得到频域的幅频响应；

谐波失真计算模块，计算分析频段内各个频点的谐波失真与输入音频信号的幅度之间的关系；

子带滤波器，其用于将频带划分为M个子带，所述子带滤波器的数量为M个；

带内失真最大频点搜寻模块，用于在每个子带内寻找谐波失真最大的频点f_i；

阈值计算模块，用于在每个子带内根据频点f_i处的总谐波失真，计算满足总谐波失真小于等于设定值的信号最大幅度，记作A_i，变换到对数域就可以得到每个子带内的动态范围压缩器的阈值。

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