CN111770429A - 一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统和方法。在飞机舱内，座椅正上方的乘客头部位置布置传声器，传声器正下方的座椅下方布置扬声器，传声器和扬声器与计算机通信连接；由布置于飞机舱内目标点处的传声器采集实际飞行过程中各状态下的噪声数据，作为目标声场；对传声器、扬声器进行校准，测量并计算均衡矩阵；采用多通道最小二乘均衡方式处理，最后以最优声源输入信号激励扬声器发出声音实现飞机舱内声场复现。本发明能够较为准确地还原飞机各种工况下的舱内多点空间声场，提供更接近实际的模拟实验环境，能用于提升飞机的舱内声学舒适性。

Description

一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统和方法

技术领域

本发明涉及了一种声场复现系统和方法，尤其是涉及了一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统和方法。

背景技术

作为世界前列的航空大国，国产大飞机的横空出世让中国的航空工业水平真正走在了世界前沿。一架大飞机的设计、生产、制造到首飞，涉及到的技术和学科分支非常广泛，其振动噪声水平无疑是乘客极为关心的，飞机舱内噪声水平对于乘客舒适性影响极大，是国产大飞机能否真正与国外机型竞争甚至超越的一大重要因素，因此研究飞机舱内噪声及声品质具有重要意义。

对飞机舱内声品质的研究与优化首先要建立科学、准确的声品质评价方法。声品质评价方法主要分为主观评价与客观评价。客观评价是通过一些心理声学客观参数(响度、尖锐度、粗糙度等)的计算和比较来评价声品质的好坏，具有效率高、成本低等优点，但声品质的好坏终究取决于人的感受，因此主观评价方法具有更高的准确性。

目前大部分主观声品质评价均采用耳机回放，因其操作简便，配套软、硬件成熟，目前B&K、Head Acoustics公司均有完整的人工头、数据采集器、回放耳机硬件系统，以及相应的算法软件，考虑了基于人耳耳道结构的传递函数，能够较为准确地复现声音的时域、频域特性，但头戴耳机终究有无法克服的缺陷，耳机回放的声场与真实车内声场有所差别，主要表现在声场的三维空间特性方面。在这种情况下，基于实验室环境的扬声器回放技术——三维声场复现技术既节约了实验时间和成本，又能够真实地复现声音的时域特性、频域特性以及三维空间特性，成为主观声品质评价的最优手段。

声场复现(Sound Field Reproduction)技术旨在利用扬声器阵列在模拟舱室内复现目标声场的完整特性，让听者有身临其境的感受，在汽车、高铁甚至飞机、潜艇等的NVH领域均有广阔的应用前景。声场复现系统的设计与研究对于主观声品质的评价具有重要意义。

现有针对飞机舱内声场复现的研究大都针对某一区域，没有针对舱内大范围目标点区域的复现研究。

发明内容

为实现对飞机舱内噪声的更准确的声品质评价，首先要准确地在模拟机舱内实现目标声场的复现，因此本发明设计了一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统，解决了声场复现系统的难度问题，能同时复现空间声场内多个测点的噪声频谱。本发明基于多通道均衡反馈法能够实现舱内大范围目标声场的更精确的复现。

本发明引入反馈控制，设计构建了复现误差可控的多通道最小二乘均衡反馈法，以及设计对飞机客舱驾驶舱的复现系统，包含软件设计以及硬件布置。

本发明的技术方案包括：

一、一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统：

在飞机舱内，座椅正上方的乘客头部位置布置传声器，传声器正下方的座椅下方布置扬声器，扬声器和传声器的布置数量相同，传声器和扬声器均通过各自的功放和声卡后与飞机舱外的计算机通信连接。

在飞机舱内的所有座椅中选择一部分作为测点，一个座椅作为一个测点，测点上方布置传声器，测点下方布置扬声器。

本发明的计算机通过飞机舱内声场复现系统软件控制硬件实现声场复现。

由计算机产生声源输入信号控制各个扬声器发出不同的声音，各个传声器接收声音后反馈输入到计算机，由计算机处理进行飞机舱内声场复现。

二、一种多通道均衡反馈的飞机舱内声场复现方法：方法包括如下步骤：

(1)由布置于飞机舱内目标点处的传声器采集实际飞行过程中各状态下的噪声数据，作为后续复现的目标声场；

(2)采用权利要求1-3任一所述的飞机舱内声场复现系统进行布置，即在模拟机舱内布置传声器、扬声器，与包含声卡、话放、计算机等的控制柜相连，完成系统的硬件布置；

(3)对传声器、扬声器进行校准，并测量每个传声器与每个扬声器之间的频响函数，计算均衡矩阵；

(4)采用多通道最小二乘均衡方式处理：利用目标声场p[k]和均衡矩阵计算声源信号s[k]，并通过扬声器发声形成复现声场，将复现声场与目标声场进行对比，得到调整的复现误差，利用复现误差对声源输入信号反馈控制，经过多次循环的反馈控制，得到最优声源输入信号；

(5)最后以最优声源输入信号激励扬声器发出声音实现飞机舱内声场复现。

对每个飞行状态中采集到的目标声场进行上述(4)(5)两个步骤的调试，得到对应的最优声源输入信号及复现声场后，将保存于声场播放模块数据库中，通过声场播放模块数据库复现各飞行状态的舱内声场。

所述(3)中对传声器、扬声器进行校准，具体为：

1)将传声器插入声道校准器的适配器内，打开声道校准器发出1000Hz、94dB的标准单频声，传声器接收标准单频声的信号并由话放进行放大，得到电压模拟信号，由经模拟数字转化后输入到计算机，计算该传声器的电压与声压的比值作为声道灵敏度，调整声道灵敏度进行校准；

2)控制扬声器逐一发出1000Hz的单频声，根据已校准的传声器测量结果校准扬声器。

具体是将复现声场的1/3倍频程频谱与目标声场进行对比，得到调整的复现误差。

所述(4)具体为：声源输入信号输入到扬声器后由传声器采集，将由M个传声器采集获得的目标声场p[k]输入到多通道均衡系统E[k]中，p[k]∈C^M×1，多通道均衡系统E[k]包括频率响应函数矩阵G[k]和均衡滤波器矩阵G^#[k]，均衡滤波器矩阵G^#[k]通过对频率响应函数矩阵G[k]求逆获得；目标声场p[k]先与均衡滤波器矩阵G^#[k]进行矩阵相乘，G^#[k]∈C^{L ×M}，得到L个声源输入信号组成的声源信号向量s[k]，s[k]∈C^L×1，以声源信号向量s[k]作为驱动扬声器的声源输入信号，经音频系统(一般由声卡、功率放大器和扬声器组成)驱动扬声器发出声音，由各个传声器测得信号的声音频谱作为复现声场向量r[k]，r[k]∈C^M×1，即将声源信号向量s[k]和频率响应函数矩阵G[k]进行矩阵相乘后获得复现声场向量r[k]；由目标声场p[k]建立Δ个采样的系统延时后的目标声场向量p[k]e^-jωΔ，其中Δ为硬件系统特性的采样延时预设值，e为自然常数，j为虚数单位，ω为标准化频率，计算目标声场向量p[k]e^-jωΔ与复现声场向量r[k]之差作为复现误差向量e[k]，最后将复现误差向量e[k]添加到声源输入信号，以修正复现声场r[k]形成闭环反馈控制。

针对多个不同的扬声器，控制产生不同频率、振幅和调制信息的声源输入信号输入到各个扬声器，然后由不同的传声器同时进行采集。

本发明基于多通道最小二乘均衡方式，结合反馈控制，编写了飞机舱内声场复现系统软件，搭配相应的硬件设备，能够较为准确地还原飞机各种工况下的舱内多点空间声场。

本发明的有益效果是：

本发明采用了多通道最小二乘均衡方式结合反馈控制构建了飞机舱内声场复现系统，能够较为准确地还原飞机各种工况下的舱内多点空间声场，为飞机舱内噪声及其声品质提供了更接近实际的模拟实验环境，能用于帮助提升飞机的舱内声学舒适性。

附图说明

图1为本发明的舱内噪声模拟系统硬件布置示意图；

图2为本发明的多通道最小二乘均衡反馈法的原理图；

图3为本发明的舱内噪声模拟系统的声场调试模块运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

1.飞机舱内声场复现系统的硬件布置

飞机舱内声场复现系统的硬件布置如图1所示，在客舱及驾驶舱内均匀布置测点，在测点位置的座椅上方乘客头部位置布置传声器，用于目标声场及复现声场的采集；将等同于测点数量的扬声器悬挂于测点相应座椅下方，扬声器朝向不同方向并可调整，便于形成舱内混响环境；传声器及扬声器通过对应连接线与舱外控制室内的控制柜相连，最终由计算机及相应舱内噪声模拟系统控制实现舱内噪声的复现。

飞机舱内声场复现系统的硬件连接主要是，由传声器、话筒放大器(话放)和声卡的模数转换器ADC组成系统的采集模块，由扬声器、功率放大器(功放)和声卡的数模转换器DAC组成系统的发声模块。

2.飞机舱内声场复现系统

本发明舱内噪声模拟系统还包括通道诊断模块、声场调试模块和声场播放模块。

2.1通道诊断模块

通道诊断模块分为传声器校准、扬声器诊断两个部分，传声器校准用于设置或校准由传声器、话放和声卡ADC组成的声道灵敏度。由于声场调试模块需采用声卡测量声音并确认扬声器是否正常，所以在运行后续模块前必须进行通道诊断。

1)首先将某传声器插入声校准器适配器内，打开声道校准器，由其发出1000Hz，94dB的标准单频声，对应传声器接受信号并由话放进行放大，得到电压模拟信号，由ADC传输到计算机，计算该传声器的电压与声压的比值即为声道灵敏度(mV/Pa)。

2)然后进行扬声器诊断，控制扬声器逐一发出1000Hz的单频声，根据已校准的传声器测量结果诊断扬声器。

2.2声场调试模块

声场调试模块用于计算声源输入信号，并通过扬声器发声形成复现声场。模块包括声场数据导入、声源输入信号计算和反馈控制等功能。其工作流程如图3所示：

1)首先将目标声场测点的声音时域数据导入；

2)第一次调试要先计算均衡矩阵或将已有均衡矩阵导入，后续实验只要舱内环境未发生改变，此步可跳过。

3)应用目标声场数据和均衡矩阵计算声源输入信号，传输到声卡DAC，经功放驱动扬声器发声，传声器测量的声场数据经话放和声卡ADC传输到反馈控制模块，将复现声的1/3倍频程频谱与目标声进行对比，得到需要调整的增益值，从而实现对声源输入信号的反馈控制；

4)循环对比复现声场和目标声场，调整增益，得到最优的声源输入信号及复现声场。

3.多通道最小二乘均衡反馈法

多通道最小二乘均衡反馈处理如图2所示：

声源输入信号输入到扬声器后由传声器采集，将由M个传声器采集获得的实际工况下飞机机舱声场的目标声场p[k]输入到多通道均衡系统E[k]中，p[k]∈C^M×1，多通道均衡系统E[k]包括频率响应函数矩阵G[k]和均衡滤波器矩阵G^#[k]，均衡滤波器矩阵G^#[k]通过对频率响应函数矩阵G[k]求逆获得；G[k]具体为声源输入信号与传声器所采集的信号之间的频率响应函数矩阵，频率响应函数矩阵G[k]是由声源输入信号激励扬声器产生声音，再由传声器所采集的信号和声源输入信号分析关联获得。G[k]∈C^M×L，其中k＝0,1，...，K，k表示频带的序数，K表示频带的总数，G^M×L表示行列分别为M×L的矩阵，M是传声器的总数量，L是扬声器的总数量。

目标声场p[k]先与均衡滤波器矩阵G^#[k]进行矩阵相乘，G^#[k]∈C^L×M，得到L个声源输入信号组成的声源信号向量s[k]，s[k]∈C^L×1，以声源信号向量s[k]作为驱动扬声器的声源输入信号，经音频系统(一般由声卡、功率放大器和扬声器组成)驱动扬声器发出声音，由各个传声器测得信号的声音频谱作为复现声场向量r[k]，r[k]∈C^M×1，即将声源信号向量s[k]和频率响应函数矩阵G[k]进行矩阵相乘后获得复现声场向量r[k]；

由目标声场p[k]建立Δ个采样的系统延时后的目标声场向量p[k]e^-jωΔ，其中Δ为硬件系统特性的采样延时预设值，e为自然常数，j为虚数单位，ω为标准化频率，计算目标声场向量p[k]e^-jωΔ与复现声场向量r[k]的之差作为复现误差向量e[k]，最后将复现误差向量e[k]添加到声源输入信号，以修正目标声场p[l]形成闭环反馈控制。

采用最小二乘法后能使复现误差最大程度的减小，但实际操作时仍然不可避免地存在人为或非人为的因素，导致复现误差过大。而且具体实施中还将复现误差引入到输入端，修正输入信号，从而使整个系统形成闭环，使复现误差进一步降低。

4、声场播放模块

完成声场复现的调试以后，可直接进入声场播放模块播放已完成的各飞行状态的复现声场，以便于后续对声场的研究。该模块包括复现声场数据导入、飞行状态选择以及播放声场等功能。

Claims (8)

1.一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统，其特征在于：在飞机舱内，座椅正上方的乘客头部位置布置传声器，传声器正下方的座椅下方布置扬声器，扬声器和传声器的布置数量相同，传声器和扬声器均通过各自的功放和声卡后与飞机舱外的计算机通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统，其特征在于：在飞机舱内的所有座椅中选择一部分作为测点，一个座椅作为一个测点，测点上方布置传声器，测点下方布置扬声器。

3.根据权利要求1所述的一种多通道均衡反馈法的飞机舱内声场复现系统，其特征在于：由计算机产生声源输入信号控制各个扬声器发出不同的声音，各个传声器接收声音后反馈输入到计算机，由计算机处理进行飞机舱内声场复现。

4.一种多通道均衡反馈的飞机舱内声场复现方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

(1)由布置于飞机舱内目标点处的传声器采集实际飞行过程中各状态下的噪声数据，作为目标声场；

(2)采用权利要求1-3任一所述的飞机舱内声场复现系统进行布置；

(3)对传声器、扬声器进行校准，并测量每个传声器与每个扬声器之间的频响函数，计算均衡矩阵；

(4)采用多通道最小二乘均衡方式处理：利用目标声场p[k]和均衡矩阵计算声源信号s[k]，并通过扬声器发声形成复现声场，将复现声场与目标声场进行对比，得到调整的复现误差，利用复现误差对声源输入信号反馈控制，经过多次循环的反馈控制，得到最优声源输入信号；

(5)最后以最优声源输入信号激励扬声器发出声音实现飞机舱内声场复现。

5.根据权利要求4所述的一种多通道均衡反馈的飞机舱内声场复现方法，其特征在于：所述(3)中对传声器、扬声器进行校准，具体为：

1)将传声器插入声道校准器的适配器内，打开声道校准器发出1000Hz、94dB的标准单频声，传声器接收标准单频声的信号并由话放进行放大，得到电压模拟信号，由经模拟数字转化后输入到计算机，计算该传声器的电压与声压的比值作为声道灵敏度，调整声道灵敏度进行校准；

2)控制扬声器逐一发出1000Hz的单频声，根据已校准的传声器测量结果校准扬声器。

6.根据权利要求4所述的一种多通道均衡反馈的飞机舱内声场复现方法，其特征在于：具体是将复现声场的1/3倍频程频谱与目标声场进行对比，得到调整的复现误差。

7.根据权利要求4所述的一种多通道均衡反馈的飞机舱内声场复现方法，其特征在于：所述(4)具体为：

声源输入信号输入到扬声器后由传声器采集，将由M个传声器采集获得的目标声场p[k]输入到多通道均衡系统E[k]中，p[k]∈C^M×1，多通道均衡系统E[k]包括频率响应函数矩阵G[k]和均衡滤波器矩阵G^#[k]，均衡滤波器矩阵G^#[k]通过对频率响应函数矩阵G[k]求逆获得；

目标声场p[k]先与均衡滤波器矩阵G^#[k]进行矩阵相乘，G^#[k]∈C^L×M，得到L个声源输入信号组成的声源信号向量s[k]，s[k]∈C^L×1，以声源信号向量s[k]作为驱动扬声器的声源输入信号，经音频系统驱动扬声器发出声音，由各个传声器测得信号的声音频谱作为复现声场向量r[k]，r[k]∈C^M×1，即将声源信号向量s[k]和频率响应函数矩阵G[k]进行矩阵相乘后获得复现声场向量r[k]；

由目标声场p[k]建立Δ个采样的系统延时后的目标声场向量p[k]e^-jωΔ，其中Δ为采样延时预设值，e为自然常数，j为虚数单位，山为标准化频率，计算目标声场向量p[k]e^-jωΔ与复现声场向量r[k]之差作为复现误差向量e[k]，最后将复现误差向量e[k]添加到声源输入信号，以修正复现声场r[k]形成闭环反馈控制。

8.根据权利要求4所述的一种多通道均衡反馈的飞机舱内声场复现方法，其特征在于：针对多个不同的扬声器，控制产生不同频率、振幅和调制信息的声源输入信号输入到各个扬声器，然后由不同的传声器同时进行采集。

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