CN112235691B - 一种混合式的小空间声重放品质提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式的小空间声重放品质提升方法，将扬声器重放系统看成多通道系统，确定代价函数，最小化代价函数，并引入形状因数，转化到频域，得到最优化滤波器，根据目标响应矩阵A(z)可得到串扰消除系统和均衡系统，计算串扰消除效果矩阵、隔离度、谱偏差SD评价均衡性能优劣，本发明能够有效地优化整车音响系统的音质和空间感。

Description

一种混合式的小空间声重放品质提升方法

技术领域

本发明涉及一种在汽车音频系统中具有多通道均衡和串扰消除滤波器的DSP方法，属于声学技术领域。

背景技术

随着汽车行业的高速发展，顾客对汽车的舒适性要求也随之提高。整车音效作为音响最终的表现形式，受到消费者最为直观地关注，其好坏已成为定位一款车型品质的重要指标。如何有效地提升整车音效成为了一个重要的问题。传统的车内调音步骤需要消耗大量的时间与人力，且依赖于调音人员的经验，采用基于车内冲激响应的分析，优化车内音响系统，是一个更为快速有效的方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种混合式的小空间声重放品质提升方法，基于汽车中多个点处测得的脉冲响应，设计了DSP系统，分别用于提高汽车音频系统的音质和空间感。选择高质量汽车音频系统的典型频率响应作为目标频率响应。通过一系列客观指标来分析DSP系统的有效性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种混合式的小空间声重放品质提升方法，包括以下步骤：

步骤1，将扬声器重放系统看成多通道系统，确定代价函数。

步骤2，最小化代价函数，并引入形状因数B(z)，转化到频域，得到最优化滤波器：

H(z)＝[C^H(z)C(z)+βB^*(z)B(z)I]^-1C^H(z)A(z)

其中，H(z)表示最优滤波器矩阵，β为正则化系数，C(z)表示传递函数矩阵，A(z)表示目标响应矩阵。

步骤3，根据目标响应矩阵A(z)可得到串扰消除系统和均衡系统：

当A(z)＝1时，系统为一多通道均衡系统，当A(z)为一单位阵时，系统为串扰消除系统。

令T＝2，表示一个双通道音源，则：

Aij(z)＝t(z)或者0

设均衡的目标响应为t(z)，A(z)的矩阵元素为A_ij(z)，当i表示的接收点与j表示的通道为同侧通道时，A_ij(z)＝t(z)。当i表示的接收点与j表示的通道为异侧通道时，A_ij(z)＝0。由此同时实现串扰消除与设定目标响应的均衡，得到混合音频系统。

步骤4，定义串扰消除效果矩阵：

R(z)＝C(z)H(z)

其中，R(z)表示串扰消除效果矩阵，H(z)表示最优滤波器矩阵。

步骤5，定义隔离度，作为衡量串扰消除效果的参数：

其中，CHSP_L(z)表示左侧信号隔离度，CHSP_R(z)表示右侧信号隔离度，R_LR(z)和R_RL(z)为异侧信号频响，R_LL(z)和R_RR(z)为同侧信号频响。

步骤6，对于平直的频响曲线作为目标响应，选择谱偏差SD作为评价均衡性能优劣的指标：

其中，E(i)为均衡后频谱幅度响应，Q_l,Q_h表示所求频率上下限。

若目标响应T(i)不是平坦的频响曲线，则E(i)定义为：

E(i)＝|E₀(i)|/|T(i)|

其中，E₀(i)为频谱幅度响应。

优选的：步骤1中的代价函数：

J＝e(z)^He(z)+βv(z)^Hv(z)

其中，J为代价函数值，e(z)为R个误差信号的矢量，v(z)表示S个扬声器输入信号的矢量。

优选的：正则化系数β使得C(z)^H C(z)的最大特征值与β的比值落在1000到5000的范围。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

(1)基于汽车中多个点处测得的脉冲响应，将均衡和串扰消除结合设计DSP系统，可以同时有效地提升车内音响的音质感与空间感。

(2)设计的多通道DSP系统，充分利用车内多个扬声器的优势，更好地提升声场重放效果。

(3)以非平坦的频率响应曲线作为目标响应，更符合车内实际情况。

附图说明

图1为双通道扬声器重放系统示意图。

图2为多通道系统解卷积示意图。

图3为串扰消除前后隔离度示意图。

图4为串扰消除后隔离度示意图。

图5为经过均衡系统后频响曲线。

图6为经过DSP系统前后的谱偏差。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种混合式的小空间声重放品质提升方法，车内音响系统其本质为基于扬声器阵列的声重放系统，基于扬声器阵列的声重放系统是可以通过合适的算法获得各单元驱动信号，利用扬声器阵列使听音者在尽可能大的区域获得较为逼真的声场还原效果。然而，基于阵列的声重放系统无法避免的一个关键问题就是扬声器之间的串扰问题，即原始信号中的同侧通道信号会传播到异侧人耳中，导致同侧与异侧通道信号相互干扰，破坏了原始信号的听感体验，因此，基于扬声器阵列的声重放系统存在着听感的甜点区域，串扰消除系统是解决这一问题的关键。

双通道声源信号通过扬声器重放系统，会在双耳处产生串扰，如图1所示，该示意图为一典型的双通道系统串扰效应。C_RL,C_LR,为串扰信号(虚线)，C_LL,C_RR为直接信号。串扰消除系统的目的就是消除双耳处的异侧信号。上述扬声器重放系统可以看成如图2的一个多通道系统，其中u(z)表示系统输入的T个通道信号的矢量，v(z)表示S个扬声器输入信号的矢量，w(z)表示R个接收点重放信号的矢量，d(z)为R个期望信号的矢量，e(z)为R个误差信号的矢量。C(z)表示R×S的传递函数矩阵，A(z)表示R×T目标响应矩阵，H(z)表示S×T的最优滤波器矩阵。A(z)取不同值，可得到串扰消除系统和均衡系统。定义代价函数：

J＝e^He+βv^Hv (1)

其中β为正则化系数，J的第一项反应性能误差，衡量重放信号与期望信号的误差，第二项为惩罚项，与输入到扬声器的信号的总功率成正比。最小化J，并在在上式正则化项中引入shape factor B(z)，避免H(z)对计算频带外的频响进行提升。考虑m＝0的情况，将上式转化到频域，得到最优化滤波器。

H(k)＝[C^H(k)C(k)+βB^*(k)B(k)I]^-1C^H(k)A(k) (2)

引入β可以提升系统鲁棒性，但会带来牺牲一定误差性能，所以β的选择需要在重放效果与鲁棒性间做出权衡。上述A(z)取不同值，可得到串扰消除系统和均衡系统。

当A(z)＝1时，上述系统为一多通道均衡系统，当A(z)为一单位阵时，上述系统为串扰消除系统。令T＝2，表示一个一般的双通道音源，则

Aij(z)＝t(z)或者0 (5)

设均衡的目标响应为t(z)，A(z)的矩阵元素为A_ij(z)，当i表示的接收点与j表示的通道为同侧通道时，A_ij(z)＝t(z)；当i表示的接收点与j表示的通道为异侧通道时，A_ij(z)＝0。由此可以同时实现串扰消除与设定目标响应的均衡，得到混合音频系统。

为了评价串扰消除效果，定义串扰消除效果矩阵

R(z)＝C(z)H(z) (6)

当串扰消除效果达到最理想时，R(z)为单位阵。一般情况下，R(z)不是理想的单位阵，因而定义隔离度，作为衡量串扰消除效果的参数

其中R_LR(z)和R_RL(z)为异侧信号频响，R_LL(z)和R_RR(z)为同侧信号频响。隔离度数值越小，串扰消除效果越好。

对于平直的频响曲线作为目标响应，选择谱偏差SD作为评价均衡性能优劣的指标，定义如下

其中，E(i)为均衡后频谱幅度响应，Q_l,Q_h表示所求频率上下限。SD越小，表示频谱越接近于平直。若目标响应T(i)不是平坦的频响曲线，则上述E(i)定义为

E(i)＝|E₀(i)|/|T(i)| (11)

其中，E₀(i)为频谱幅度响应。同样，SD越小，表示频谱越接近于目标频响。

下面以某一辆车的音响系统为例，对本发明的实施做详细说明。

1)测量车内扬声器到待测位置的传递函数，组成传递函数矩阵C(z)。

2)根据所需目标响应，设计目标响应矩阵A(z)。

3)设定待求滤波器的阶数，正则化相关系数β和B(z)的值。(β的一个经验取值是，使得C^HC的最大特征值与β的比值落在1000到5000的范围)

4)依据公式(2)计算优化滤波器矩阵H(k)。

5)将频域的优化滤波器矩阵H(k)通过IFFT加窗转换为时域滤波器。

6)计算公式(7)、公式(8)、公式(9)，评估均衡与串扰消除的性能。

测量实车的冲激响应，车内扬声器配置如图1所示，每个车门包含中低频，高频两个扬声器，将同一车门的两个扬声器作为一组通道，则整个系统包含左前门，右前门，左后门，右后门，中置，共5个通道。测量点包含人工头双耳传声器，双耳附近的优化点(偏离5cm)，共4个测量点。左耳传声器，右耳传声器，左耳偏离点，右耳偏离点，依次命名为R1,R2,R3,R4。测量每个通道的扬声器到测量点的传递函数，组成传递函数矩阵C，再设计包含多点均衡与串扰消除的滤波器矩阵H，得到滤波器系数。滤波器设计的目标响应为一非平坦的频响曲线。目标响应为整车音响系统中音质评价较高的频响曲线，相比于平直的频响曲线，更符合车内音响系统的情况。

采用隔离度与SD检验串扰消除与多点均衡的性能。串扰消除前后隔离度对比如图3，原系统左耳处隔离度基本在-10dB到20dB之间，经过串扰消除系统后，隔离度有明显降低。在100Hz以上，隔离度均小于0dB，其中100Hz-2k Hz效果较好。

经过滤波器系统，四个接收点的隔离度如图4。在1k Hz以上，偏离点的隔离度优于左右耳传声器的隔离度，这是由于偏离点靠近同侧扬声器，异侧信号减小，而同侧信号变化不大，导致隔离度减小。偏离点处隔离度仍能保持较低水平，系统具有较好的鲁棒性。

经过滤波器系统后，四个接收点的频响曲线如图5(图中频带为20-5kHz)。相比均衡前，均衡后的频响明显更接近于目标频响，在100Hz以上，均衡后频响几乎与目标频响一致，在100Hz以下，均衡后频响在目标频响的基础上存在上下波动，这是由于滤波器阶数受限，不能完美的对原传递函数求逆。各个接收点频响相差不大，多点均衡达到了区域调节频响的效果。

图6为均衡前后SD的值，各接收点SD均明显提升，提升值在1.5到2.5之间，均衡效果具有一定鲁棒性。

本发明提出的DSP系统通过了客观指标的性能检验，有效地提升了车内音响的音质感与空间感。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合式的小空间声重放品质提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将扬声器重放系统看成多通道系统，确定代价函数；

代价函数：

J＝e(z)^He(z)+βv(z)^Hv(z)

其中，J为代价函数值，e(z)为R个误差信号的矢量，v(z)表示S个扬声器输入信号的矢量；

步骤2，最小化代价函数，并引入形状因数B(z)，转化到频域，得到最优化滤波器：

H(z)＝[C^H(z)C(z)+βB^*(z)B(z)I]^-1C^H(z)A(z)

其中，H(z)表示最优滤波器矩阵，β为正则化系数，C(z)表示传递函数矩阵，A(z)表示目标响应矩阵；

步骤3，根据目标响应矩阵A(z)可得到串扰消除系统和均衡系统：

当A(z)＝1时，系统为一多通道均衡系统，当A(z)为一单位阵时，系统为串扰消除系统；

令T＝2，表示一个双通道音源，则：

A_ij(z)＝t(z)或者0

设均衡的目标响应为t(z)，A(z)的矩阵元素为A_ij(z)，当i表示的接收点与j表示的通道为同侧通道时，A_ij(z)＝t(z)；当i表示的接收点与j表示的通道为异侧通道时，A_ij(z)＝0；由此同时实现串扰消除与设定目标响应的均衡，得到混合音频系统；

步骤4，定义串扰消除效果矩阵：

R(z)＝C(z)H(z)

其中，R(z)表示串扰消除效果矩阵，H(z)表示最优滤波器矩阵；

步骤5，定义隔离度，作为衡量串扰消除效果的参数：

其中，CHSP_L(z)表示左侧信号隔离度，CHSP_R(z)表示右侧信号隔离度，R_LR(z)和R_RL(z)为异侧信号频响，R_LL(z)和R_RR(z)为同侧信号频响；

步骤6，对于平直的频响曲线作为目标响应，选择谱偏差SD作为评价均衡性能优劣的指标：

其中，E(i)为均衡后频谱幅度响应，Q_l，Q_h表示所求频率上下限；

若目标响应T(i)不是平坦的频响曲线，则E(i)定义为：

E(i)＝|E₀(i)|/|T(i)|

其中，E₀(i)为频谱幅度响应。

2.根据权利要求1所述混合式的小空间声重放品质提升方法，其特征在于：正则化系数β使得C(z)^HC(z)的最大特征值与β的比值落在1000到5000的范围。

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