CN112584276B - 参量阵扬声器声失真频域矫正方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于扬声器技术领域，具体涉及参量阵扬声器声失真频域矫正方法及系统，包括以下步骤：S01.对输入信号的进行傅里叶变换，得到频域信号；S02.计算频域信号的二次波频域信号：基于Berktay远场解理论计算得到所述频域信号的二次波频域信号，滤除幅值占比百分之一以下的频率分量；S03.给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相位，得到预失真频域信号，幅值增益和相位由自适应逆控制算法计算得出；S04.将预失真频域信号变换到时域，得到预失真信号；S05.将预失真信号调制到载波上，得到调制波，经过放大器放大后驱动超声换能器将声音定向发射，避开了开根号运算对硬件平台的带宽要求，解决了由于带宽问题造成的失真，提高可听声音质。

Description

参量阵扬声器声失真频域矫正方法及系统
技术领域
本发明属于扬声器技术领域，具体涉及参量阵扬声器声失真频域矫正方法 及系统。
背景技术
参量阵扬声器是一种新概念声源，具有较大的应用价值：在民用领域，可 用于噪声控制上，比如使交通工具的鸣笛声只沿行进方向传播、在公共场所使 声波只在必要的范围内传播而不相互干扰、限制户外广告的传播范围等；也可 应用于电话保密、盲人引导等多种场合。在军用领域，参量阵扬声器作为一种 高指向性声源可以用来指向性警告或大功率声波攻击。参量阵扬声器能够使声 音像光束一样传播，产生高指向性的可听声，向不同用户提供不同音频信息， 实现个性化的声音传输。
参量阵扬声器利用超声波在空气自解调作用产生可听声，此过程中容易引 入失真，失真与声源压力成正比，振幅越大产生的失真越大。常规的方法是采 用平方根算法对包络信号进行预处理，然而平方根运算会引入无限谐波，需要 具有无限带宽的硬件平台来再现。并且超声波发射器的带通特性以及不同频率 信号自解调特性不同，故而时域预处理算法不能很好的解决含有不同频率成分 信号的失真，因此目前各预处理算法处理的参量阵扬声器发出的可听声仍有较 大的失真。
因此如何提高参量阵扬声器声音的质量成为了参量阵扬声器技术领域的首 要问题。
参量阵扬声器是将可听声信号调制到超声载波上，利用空气的非线性作用， 使可听声信号从调制波中重新自解调出来的技术，由于调制波为超声波，具有 良好的指向性，因此自解调出的可听声信号也具有了定向传播的特性。但是自 解调过程中容易引入失真，常规的方法是采用平方根算法对包络信号进行预处 理。然而平方根运算会引入无限谐波，需要具有无限带宽的硬件平台来再现。 并且超声波发射器的带通特性以及不同频率信号自解调特性不同，故而时域预 处理算法不能很好的解决含有不同频率成分信号的失真。基于现有各参量阵扬 声器预处理算法的不足，本方案提出一种参量阵扬声器声失真频域矫正方法和 系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种参量阵扬声器声失 真频域矫正方法及系统，能够解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种参量阵扬声器声失真频域矫正方法，包括以下步骤：
S01.对输入信号的进行傅里叶变换，得到频域信号；
S02.计算频域信号的二次波频域信号：
基于Berktay远场解理论计算得到所述频域信号的二次波频域信号，滤除 幅值占比百分之一以下的频率分量；
S03.给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相位，得到预失 真频域信号，幅值增益和相位由自适应逆控制算法计算得出；
S04.将预失真频域信号变换到时域，得到预失真信号；
S05.将预失真信号调制到载波上，得到调制波，经过放大器放大后驱动超 声换能器将声音定向发射。
优选的，步骤S03中的幅值增益和相位由自适应逆控制算法计算得出，具 体包括：
a.根据预失真频域信号的失真类型选择自适应逆控制算法的控制参数；
b.根据预失真频域信号的失真类型选择控制参数的初始值；
c.将初始值带入自适应逆控制算法得到预失真信号，并驱动超声换能器工 作；
d.由反馈麦克风采集声压信号，通过自适应逆控制算法根据性能系数的变 化反馈对控制参数进行调节，使性能趋于最优值，以降低失真率。
优选的，步骤a中根据预失真频域信号的失真类型选择自适应逆控制算法的 控制参数，包括：矫正幅值失真选择基波幅值增益为控制参数；矫正二阶谐波 失真选择谐波幅值增益和相位为控制参数；矫正二阶互调失真选择互调幅值增 益和相位为控制参数。
优选的，步骤b中的根据预失真频域信号的失真类型选择控制参数的初始 值，包括：选择基波幅值增益初始值，使基波各频率分量幅值经预失真处理后 仍保持原比例；选择谐波幅值增益和相位初始值，使二次谐波频率分量与预失 真频域信号等幅反相；选择互调幅值增益和相位初始值，使二阶互调频率分量 与预失真频域信号等幅反相。
优选的，步骤d中的性能系数包括失真度、发声效率。
优选的，所述的自适应逆控制算法包括神经网络模型、信号预失真运算模 块，信号预失真运算模块通过神经网络模型输出的相位及幅值增益计算预失真 信号，采用BP算法进行参量阵系统逆模型的离线辨识以及自适应逆控制，通过 反馈信号使用BP算法对信号预失真运算模块的输出进行调节。
一种参量阵扬声器声失真频域矫正系统，包括：
时/频域变换模块，用于对信号进行傅里叶变换；
二次波频域信号生成模块，用于根据Berktay远场解计算时/频域变换模块 输出的频域信号自解调后产生的二次波频域信号；
预失真模块，用于给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相 位，得到预失真频域信号；
优化模块，用于获得给二次波频域信号中的各频率分量的幅值增益和相位；
频/时域变换模块，用于将预失真频域信号变换到时域，得到预失真信号；
调制模块，用于将预失真信号调制到载波上，得到调制波。
优选的，所述的参量阵扬声器声失真频域矫正系统硬件平台包括处理器、 存储器、放大器、反馈麦克风和超声波发射器
本发明的有益效果是：采用上述方案，通过预失真处理提高可听声音质， 通过在频域对每个频率分量的失真分别矫正，减小了由于超声波发射器的带通 特性和不同频率信号自解调特性的不同造成的失真，与传统时域处理方法相比 更具针对性；避开了开根号运算对硬件平台的带宽要求，解决了由于带宽问题 造成的失真。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点 将变得显而易见。
图1为本发明参量阵扬声器声失真频域矫正方法的流程图。
图2为发明提供的参量阵扬声器声失真频域矫正系统的模块图。
图3为本发明提供的参量阵扬声器声失真频域矫正系统的一种硬件平台。
其中：10为时/频域变换模块，11为二次波频域信号生成模块，12为优化 模块，13为预失真模块，14为频/时域变换模块，15为调制模块，
20为处理器，21为存储器，22为反馈麦克风，23为放大器，24为超声波 发射器。
具体实施方式
以下通过具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效，本发明还可以通过另外不 同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观 点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变，需说明的是，在 不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基 本构想，遂图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、 形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改 变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，一种参量阵扬声器声失真频域矫正方法，包括以下步骤：
S01.对输入信号的进行傅里叶变换，得到频域信号；
具体地，读取输入音频信号的模拟信号，每次只读取模拟信号中的一帧信 号，本实施例中，可以设置一帧信号长度N为16×1024个点，对读取的一帧信号 进行傅里叶变换，这里以FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)为 例，由于FFT的结果为复数序列或者复数向量，对每个采样点对应的复数进行取 模运算，得到采样点的幅度，再直接提取傅里叶变换得到表达式中包含的相位 信息。
S02.计算频域信号的二次波频域信号：
基于Berktay远场解理论计算得到所述频域信号的二次波频域信号，滤除 幅值占比百分之一以下的频率分量；
二次波频域信号以Berktay远场解为理论基础得到，即宽带参量声学阵最后 在空气中自解调得到的声压与包络函数平方的两次时间导成正比，其表达式为：
Figure BDA0002758039540000051
其中，β为非线性系数，p0为原波声压幅值，α为有效声源半径，ρ0为密 度平衡值，c0为声波传播速度，z为声波传播距离，α0为声衰减系数，E(τ)为调 制包络函数，τ＝t-z/c0为延迟时间；
对于任一宽带信号，可以将其分解为正弦级数的形式，即输入信号可表示 为：
Figure BDA0002758039540000061
将其带入得到自解调二次声压为：
Figure BDA0002758039540000062
因此，二次波频域信号中包含：基频ωi，其幅值为
Figure BDA0002758039540000063
二次谐 波频率2ωi，其幅值为
Figure BDA0002758039540000064
互调失真频率ωi±ωj，其幅值为
Figure BDA0002758039540000065
其中,i＝1，2，3···n。
S03.给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相位，得到预失 真频域信号，幅值增益和相位由自适应逆控制算法计算得出；
其中幅值增益和相位通过自适应逆控制算法计算得到，自适应逆控制算法 的控制参数由失真类型选择：矫正基频的幅值失真选择幅值增益为控制参数， 矫正二阶谐波失真和二阶互调失真选择幅值增益和相位为控制参数；
同样的，根据失真类型选择控制参数的初始值：选择基波幅值增益初始值， 使基波各频率分量幅值经预失真处理后仍保持原比例，在本实施例中可以选择 为1/ωi 2，选择谐波及互调频率幅值增益和相位初始值，使二次谐波频率分量与 预失真频域信号等幅反相。
将初始值带入得到预失真信号，并驱动超声换能器工作，由反馈麦克风采 集声压信号，通过自适应逆控制算法(智能算法)根据性能系数的变化反馈对 控制参数进行调节，使性能趋于最优值，本实施例中，自适应逆控制算法可以 选择人工智能算法，在扬声器发声后，反馈麦克风采集自解调声压信号，自适 应逆控制算法计算性能系数，通过性能系数的变化状况对控制参数进行调节， 使得控制参数向着使失真频率成分幅值最低的最优状况调节，从而降低失真率。
自适应逆控制算法包括两部分，第一部分是神经网络模型(BP网络)、第 二部分是信号预失真运算模块，信号预失真运算模块通过神经网络模型输出的 相位及幅值增益计算预失真信号。
使用BP算法进行参量阵系统逆模型的离线辨识以及自适应逆控制，通过反 馈信号使用BP算法对信号预失真运算模块的输出进行调节。
BP网络由输入层、隐含层、输出层构成，输入层设置3个节点，隐含层设置 6个节点，输出层设置一个节点，输入信号的二次波频域信号、系统输出及误差， 输出各频率分量的幅值增益或相位。
BP网络输入层的输入为：
oj (1)＝x(j),j＝1,2,3
隐层的输入为：
Figure RE-GDA0002947327260000071
隐层的输出为：
oi (2)(k)＝f(neti (2)(k))，i＝1,…,6
f(x)为隐层传递函数；
输出层的输入为：
Figure BDA0002758039540000072
输出层的输出为：
Ol (3)(k)＝g(netl (3)(k)),l＝1
g(x)为输出层传递函数；
计算网络的目标函数：
Figure BDA0002758039540000081
r(k)为输入信号的频域信号，y(k)为麦克风接收到信号的频域信号。使用 梯度下降法调节网络权值，并用符号函数
Figure BDA0002758039540000082
代替
Figure BDA0002758039540000083
u(k)为预失真模 块的输出。
输出层权值的学习算法如下：
Δwli (3)(k)＝αΔwli (3)(k-1)+ηδl (3)Oi (2)(k)
Figure BDA0002758039540000084
用同样的方法可以得到隐层的学习算法。
通过上述过程得到幅值增益和相位，继而得到预失真频域信号。
性能系数可以选择为总谐波失真(THD)和互调失真(IMD)，总谐波失真 是指输出比输入多出的谐波部分，而互调失真是指两种或多种频率信号通过放 大器或扬声器后产生差拍或构成新的频率分量，在自适应逆控制算法对控制参 数进行调节的过程中，可能出现两种情况，一种是性能系数变大，此时性能变 差，参量阵扬声器失真度变大，说明对控制参数的调节方向有误，需要将性能 系数的值通过惩罚函数反馈给算法，对控制参数进行反向调节；另一种情况是 性能系数变小，此时性能变好，参量阵扬声器失真度变小，则将性能参数的值 通过激励函数反馈给算法，使控制参数同向调节，最后输出符合要求的控制参量即各频率分量的幅值增益和相位，将优化算法得到的幅值增益和相位输送给 各频率分量，即原幅值乘上幅值增益作为新的幅值，原相位加上优化算法输出 的相位作为新的相位，得到预失真频域信号。
S04.将得到的预失真频域信号变换到时域，得到预失真信号；
具体地，根据所述预失真频域信号中各频率成分的幅度和对应相位进行傅 里叶反变换。
S05.将预失真信号调制到载波上，得到调制波，经过放大器放大后驱动超 声换能器将声音定向发射。
请参阅图2，一种参量阵扬声器声失真频域矫正系统，包括：时/频域变换 模块10、二次波频域信号生成模块11、优化模块12、预失真模块13、频/时域 变换模块14和调制模块15，
时/频域变换模块10用于执行前述方法实施例中的步骤S01，用于对信号进 行傅里叶变换；
二次波频域信号生成模块11用于执行前述方法实施例中的步骤S02，用于根 据Berktay远场解计算时/频域变换模块输出的频域信号自解调后产生的二次波 频域信号；
优化模块12、预失真模块13用于执行前述方法实施例中的步骤S03，预失真 模块，用于给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相位，得到预 失真频域信号，优化模块，用于获得给二次波频域信号中的各频率分量的幅值 增益和相位；
频/时域变换模块14用于执行前述方法实施例中的步骤S04，用于将预失真 频域信号变换到时域，得到预失真信号，
调制模块15用于执行前述方法实施例中的步骤S05，用于将预失真信号调制 到载波上，得到调制波。
本领域技术人员应当理解，图2实施例中的各个模块的划分仅仅是一种逻辑 功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个或多个物理实体上。且这 些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形 式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬 件的形式实现，
如优化模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在某一个芯片中实现， 外，也可以程序代码的形式存储于存储器中，由某一个处理与案件调用并执行 优化模块的功能，它模块的实现与之类似，这里所述的处理元件可以是一种集 成电路，具有信号的处理能力，在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个 模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
请参阅图3，本实施例提供一种参量阵扬声器声失真频域矫正系统的硬件平 台，包括处理器20、存储器21、反馈麦克风22、放大器23和超声波发射器24， 处理器20用于加载参量阵扬声器声失真频域矫正系统，使得设备执行前述方法 实施例中的全部或部分步骤；存储器21用于存储系统运行的数据，反馈麦克风 22用于采集自解调声压，并传送给处理器，放大器23用于放大处理器输出的调 制波信号，以达到超声波发射器的驱动电压，超声波发射器24用于定向播放经 过处理的音频信号。
上述存储器21可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)， 也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储 器。
上述的处理器20可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等； 还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成 电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门 阵列(Field－ProgrammableGate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、 分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
综上所述，本发明一种参量阵扬声器声失真频域矫正方法和系统，通过对 不同失真形式的频率成分分别施加适当的控制参数初始值，使控制参数能够更 快的收敛，提高信号实时处理效率；通过人工智能算法对控制参数进行调节， 对控制模型复杂的参量阵扬声器系统更有效。所以，本发明有效克服了现有技 术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制， 凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化， 均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种参量阵扬声器声失真频域矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01.对输入信号的进行傅里叶变换，得到频域信号；
S02.计算频域信号的二次波频域信号：
基于Berktay远场解理论计算得到所述频域信号的二次波频域信号，滤除幅值占比百分之一以下的频率分量；
S03.给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相位，得到预失真频域信号，幅值增益和相位由自适应逆控制算法计算得出；
S04.将预失真频域信号变换到时域，得到预失真信号；
S05.将预失真信号调制到载波上，得到调制波，经过放大器放大后驱动超声换能器将声音定向发射；
步骤S03中的幅值增益和相位由自适应逆控制算法计算得出，具体包括：
a.根据预失真频域信号的失真类型选择自适应逆控制算法的控制参数；
b.根据预失真频域信号的失真类型选择控制参数的初始值；
c.将初始值带入自适应逆控制算法得到预失真信号，并驱动超声换能器工作；
d.由反馈麦克风采集声压信号，通过自适应逆控制算法根据性能系数的变化反馈对控制参数进行调节，使性能趋于最优值，以降低失真率；
步骤a中根据预失真频域信号的失真类型选择自适应逆控制算法的控制参数，包括：矫正幅值失真选择基波幅值增益为控制参数；矫正二阶谐波失真选择谐波幅值增益和相位为控制参数；矫正二阶互调失真选择互调幅值增益和相位为控制参数；
所述的自适应逆控制算法包括神经网络模型、信号预失真运算模块，信号预失真运算模块通过神经网络模型输出的相位及幅值增益计算预失真信号，采用BP算法进行参量阵系统逆型的离线辨识以及自适应逆控制，通过反馈信号使用BP算法对信号预失真运算模块的输出进行调节。
2.根据权利要求1所述的参量阵扬声器声失真频域矫正方法，其特征在于，步骤b中的根据预失真频域信号的失真类型选择控制参数的初始值，包括：选择基波幅值增益初始值，使基波各频率分量幅值经预失真处理后仍保持原比例；选择谐波幅值增益和相位初始值，使二次谐波频率分量与预失真频域信号等幅反相；选择互调幅值增益和相位初始值，使二阶互调频率分量与预失真频域信号等幅反相。
3.根据权利要求1所述的参量阵扬声器声失真频域矫正方法，其特征在于，步骤d中的性能系数包括失真度、发声效率。
4.一种如权利要求1所述参量阵扬声器声失真频域矫正方法的一种参量阵扬声器声失真频域矫正系统，其特征在于，包括：
时/频域变换模块，用于对信号进行傅里叶变换；
二次波频域信号生成模块，用于根据Berktay远场解计算时/频域变换模块输出的频域信号自解调后产生的二次波频域信号；
预失真模块，用于给二次波频域信号中的各频率分量不同的幅值增益和相位，得到预失真频域信号；
优化模块，用于获得给二次波频域信号中的各频率分量的幅值增益和相位；
频/时域变换模块，用于将预失真频域信号变换到时域，得到预失真信号；
调制模块，用于将预失真信号调制到载波上，得到调制波；
所述预失真模块中，信号预失真运算模块通过神经网络模型输出的相位及幅值增益计算预失真信号，采用BP算法进行参量阵系统逆型的离线辨识以及自适应逆控制，通过反馈信号使用BP算法对信号预失真运算模块的输出进行调节。
5.根据权利要求4所述的参量阵扬声器声失真频域矫正系统，其特征在于，所述的参量阵扬声器声失真频域矫正系统硬件平台包括处理器、存储器、放大器、反馈麦克风和超声波发射器。
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