CN113108894A - 基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统及方法，该系统包括人机交互模块、控制模块、声激励生成模块、接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块。本发明使用接触式传声器采集乐器音板表面的瞬态声场，避免了空间采集时因反射、折射等物理现象带来的不利影响，保证采集的结果更接近实际的瞬态声场，同时，本发明结合传声器阵列采集技术，降低操作难度与复杂度，避免了单通道测量时因反复测试时因设备状态、测量条件的不一致所带来的误差，增强了结果的准确性与可靠性。

Description

基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统及方法

技术领域

本发明涉及数据采集和乐器声场测量技术领域，具体涉及一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统及方法。

背景技术

随着经济水平的提高，人们对精神生活的需求随之增加，日益增长的需求同样促使着中国乐器行业的发展。其中诸如电子钢琴、电子鼓等电子乐器因价格相对低廉、使用方便等因素受到大众青睐，其市场份额逐年上升。但是，这些电子乐器与传统乐器相比，在空间声场方面有所不足，无法带给演奏者传统乐器所带有的现场感。这在一定程度上限制了电子乐器，特别是高端电子乐器的发展。

电子乐器之所以不能产生丰富的空间声场，是因为电子乐器的发声部件通常为单扬声器或双扬声器，只能简单的模仿传统乐器的空间声场。相对而言，传统乐器的发声部件复杂精妙，例如传统钢琴的发声系统由键盘系统、击弦机系统、发声系统组成。当按下琴键，击弦机被激活从而敲击琴弦，琴弦的振动由弦码传导给音板，最后由音板完成扩声，声场丰富细腻。在整个过程中，音板完成了对振动的共鸣与放大。演奏者与听众最终感受到的空间声场也主要是由音板产生。因此，为了促进电子乐器的发展、辅助电子乐器的制造、丰富电子乐器的空间声场，对乐器音板的声场进行测量＝是具有积极意义的。

现有对乐器音板声场的测量方式大致分为两类，一是，使用麦克风从空间中采集乐器的声场信号；二是，使用一枚加速度传感器对乐器音板的振动进行测量。

上述方法不足之处在于，使用麦克风从空间中采集乐器的声场信号无法避免声场传播中因反射、折射、衍射等物理现象带来的不利影响，导致所测量的声场不够准确；使用一枚加速度传感器对乐器音板进行测量的过程十分繁琐，需要对乐器音板的不同位置进行反复操作，在操作中可能因设备状态与测量条件的不一致给结果带来误差，降低了结果的准确性与可靠性，同时，反复测量时不能保证每次测量的起始时间一致，数据结果只能用于乐器音板的模态分析。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统与方法，通过使用接触式传声器采集乐器音板表面的瞬态声场，避免了空间采集时因反射、折射、衍射等物理现象带来的不利影响，同时，结合阵传声器阵列采集技术降低了降低操作的难度与复杂度，使得采集过程更加简单便捷，避免了反复测试时因设备状态、测量条件的不一致给测量结果带来的误差，增强了结果的准确性与可靠性，测量数据具有较高的时间一致性，可以应用于各种分析场合。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统及方法，所述的乐器音板瞬态声场测量系统包括：人机交互模块、控制模块、声激励生成模块、接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块，其中，控制模块作为核心与人机交互模块、声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块连接，接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块作为关键采集链路顺次连接，其中，人机交互模块用于接收用户输入系统的采样参数、声激励信号的参数、系统的工作状态；控制模块用于控制声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块对人机交互模块的输入做出相应的响应；声激励生成模块用于产生用户设置的声激励信号以带动乐器音板振动产生声场；接触式传声器阵列模块用于获取乐器音板表面的瞬态声场信号并将其转换为模拟信号传入信号转化模块；信号转换模块用于将各通道接触式传声器传入的模拟信号转化为数字信号；数据同步采集模块用于将转化后的数字信号进行排列与组合得到瞬态声场数据；存储模块用于存储采集到的乐器音板瞬态声场数据。

进一步地，上述的声激励生成模块由顺次连接的音频解码芯片、功放电路、电声换能器组成，其中，电声换能器贴于乐器音板表面；工作时，先由音频解码芯片将用户设置的声激励信号转化为模拟信号，随后功放电路对模拟信号进行滤波与放大，最后通过电声换能器将完成滤波与放大的信号转换成为声音，带动乐器音板振动产生声场。

进一步地，上述接触式传声器阵列模块由多枚接触式传声器组成，工作时，每一枚接触式传声器都紧贴于乐器音板的不同位置，负责获取所贴位置的音板瞬态声场信号并将其转换为模拟信号，通过连接电路把获取的信号传输到信号转换模块。

进一步地，上述控制模块，由控制芯片组成，除了负责控制声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块对人机交互模块的输入做出相应的响应外，还需完成系统的初始化配置，生成系统的采集时钟。

进一步地，上述信号转换模块，由多枚音频模拟数字转换芯片组成，除了将各通道接触式传声器传入的模拟信号转化为数字信号外，还可以对传入的信号进行滤波与放大。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法，所述的乐器音板瞬态声场测量方法包括如下步骤：

S1、将电声换能器放置在乐器音板上，将接触式传声器阵列粘贴在乐器音板表面的不同位置，

其中，在粘贴接触式传声器阵列时，使用粘贴剂填充于接触式传声器与乐器音板之间，排去接触式传声器与音板间的空气，其中，所述的粘贴剂为超声耦合剂、双面胶。

S2、用户通过人机交互模块设置系统的采样参数与声激励信号的参数，下达开始采集指令；

其中，采样参数包括采样频率、采样位宽、采样时长；声激励信号的参数包括声激励信号类型、声激励信号频率、声激励信号相位、声激励信号幅度；。

S3、控制模块发出工作标志给各个模块，系统开始工作。

S4、声激励模块在检测到工作标志时产生用户设置的声激励信号带动乐器音板振动产生声场。

S5、由接触式传声器阵列模块获取乐器音板的瞬态声场信号并将其转换为模拟信号传送到信号转换模块。

S6、由信号转换模块对各通道接触式传声器传入的模拟信号进行模拟-数字转换，使得各通道模拟信号同步转化为数字信号。

S7、由数据同步采集模块对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器标记顺序进行排序与组合得到瞬态声场数据，

其中，所述的传声器标记顺序如下：

按照数字顺序将接触式传声器阵列模块中的接触式传声器标记为：传声器1，传声器2，传声器3，…，传声器N。

S8、由存储模块将经过数据同步采集模块排列与组合的数据进行保存。

进一步地，所述步骤S2中系统的采集参数包括采样频率、采样位宽、采样时长；声激励信号的参数包括声激励信号类型、声激励信号频率、声激励信号相位、声激励信号幅度。

进一步地，上述步骤S6中，信号转换模块在对各通道接触式传声器传入的模拟信号进行模拟-数字转换时，各音频模拟-数字转换芯片统一使用控制模块生成的频率与相位一致的时钟信号。

进一步地，上述步骤S7中对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器标记顺序进行排列与组合的排序方法如下：

按照时间顺序对传声器1的采集数据记为传声器1-1，传声器1-2，传声器1-3，…，传声器1-M，用序列表示为：

[传声器1-1，传声器1-2，传声器1-3，…，传声器1-M]

按照时间顺序对传声器2的采集数据记为传声器2-1，传声器2-2，传声器2-3，…，传声器2-M，用序列表示为：

[传声器2-1，传声器2-2，传声器2-3，…，传声器2-M]

以此类推，按照时间顺序对传声器N的采集数据记为传声器N-1，传声器N-2，传声器N-3，…，传声器N-M，用序列表示为：

[传声器N-1，传声器N-2，传声器N-3，…，传声器N-M]。

进一步地，所述步骤S7中对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器的标记顺序进行排列与组合的具体组合方法如下：

对完成排序后的数据按照采样时刻的先后进行组合，用序列表示为：[传声器1-1，传声器2-1，传声器3-1，…，传声器N-1，传声器1-2，传声器2-2，传声器3-2，…，传声器N-2，……，传声器1-M，传声器2-M，传声器3-M，…，传声器N-M]。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明提供的乐器音板瞬态声场测量系统与方法实现了对乐器音板的瞬态声场测量。

2、本发明使用接触式传声器进行测量，避免了使用麦克风在空间测量时因反射、折射、衍射等物理现象带来的不利影响，使得采集的结果更接近实际的瞬态声场。

3、本发明结合传声器阵列采集技术，一次操作即可测量乐器音板的瞬态声场，避免了单一通道采集时需要反复测量多个区域的复杂过程，降低操作难度与复杂度，同时避免反复测试时因测试设备状态、测试条件的不一致给测量结果带来的误差，增强了结果的准确性与可靠性。

4、本发明所使用的声激励信号由用户设定，通过系统模块发出，克服了人造声源的不稳定因素。

附图说明

图1是本发明公开的乐器音板瞬态声场测量系统的结构示意图；

图2是本发明公开的乐器音板瞬态声场测量方法的流程图；

图3是本发明实施例一中公开的乐器音板瞬态声场测量系统的具体实施结构框图；

图4是本发明中接触式传声器粘贴示意图；

图5是本发明实施例二中公开的乐器音板瞬态声场测量方法的实际应用示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统，该乐器音板瞬态声场测量系统又简称系统。其结构如图1所示，由人机交互模块、控制模块、声激励生成模块、接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块共同组成。其中，控制模块作为核心与人机交互模块、声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块连接，接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块作为关键采集链路顺次连接。人机交互模块用于用户输入系统的采样参数、声激励信号的参数、系统的工作状态；控制模块用于控制声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块对人机交互模块的输入做出相应的响应；声激励生成模块用于产生用户设置的声激励信号以带动乐器音板振动产生声场；接触式传声器阵列模块用于获取乐器音板表面的瞬态声场信号并将其转换为模拟信号传入信号转化模块；信号转换模块用于将各通道接触式传声器传入的模拟信号转化为数字信号；数据同步采集模块用于将转化后的数字信号进行排列与组合得到瞬态声场数据；存储模块用于存储采集到的乐器音板瞬态声场数据。

图3中示出了本实施例的一种硬件实施方案，其中人机交互模块为一块液晶显示屏；控制模块的主控芯片的核心为STMicroelectronics公司生产的STM32芯片，从控芯片的核心为Xillinx公司生产的SPARTAN-6系列的FPGA芯片；接触式传声器阵列模块包含16枚接触式传声器；信号转换模块的核心为4枚TI公司生产的PCM1864芯片，该芯片除了将各通道接触式传声器传入的模拟信号转化为数字信号外，还可以对传入的信号进行滤波与放大；声激励生成模块的核心包含1枚TI公司生产的PCM1681芯片、功放电路、一枚高保真扬声器，PCM1681芯片将用户设置的声激励信号转化为模拟信号，功放电路完成模拟信号的滤波与放大，最后通过高保真扬声器将完成滤波与放大的信号转换为声音，带动乐器音板振动产生声场；存储模块为SD卡。其中，人机交互模块、控制模块、声激励生成模块、信号转换模块、存储模块集成在一块电路板上，数据同步采集模块集成在FPGA芯片中。

本实施例中，接触式传声器阵列模块中的每一枚接触式传声器都紧贴于乐器音板的不同位置，负责获取所贴位置的音板瞬态声场信号并将其转换为模拟信号，通过连接电路把获取的信号传输到信号转换模块。

实施例二

本发明公开了一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法，该方法基于本实施例一中公开的一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统。如图2所示，是本实施例公开的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法流程图。具体的工作流程如下：

步骤S1、如图5所示，将电声换能器放置在乐器音板上，将接触式传声器阵列紧贴于乐器音板表面的不同位置。

步骤S2、用户通过人机交互模块设置系统的采样参数与声激励信号的参数，下达工作指令。

步骤S3、控制模块发出工作标志给各个模块，系统开始工作。

步骤S4、声激励模块在检测到工作标志后产生用户设置的声激励信号带动乐器音板振动产生声场。

步骤S5、由接触式传声器阵列模块获取乐器音板的瞬态声场信号并将其转换为模拟信号传送到信号转换模块。

步骤S6、由信号转换模块对各通道接触式传声器传入的模拟信号进行模拟-数字转换，使得各通道模拟信号同步转化为数字信号。

步骤S7、由数据同步采集模块对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器标记顺序进行排序与组合得到瞬态声场数据。

步骤S8、由存储模块将经过数据同步采集模块排列与组合的数据进行保存。

本实施例中，步骤S1中，在粘贴接触式传声器阵列时，使用粘贴剂填充于接触式传声器与乐器音板之间，以排去接触式传声器与音板间的空气，如图4所示。其中，所述的粘贴剂为超声耦合剂，在另一些实施例中，也可为双面胶。

本实施例中，步骤S2中系统的采样参数包括采样频率、采样位宽、采样时长；声激励的参数包括声激励信号类型、声激励信号频率、声激励信号相位、声激励信号幅度。

本实施例中，步骤S6中，信号转换模块在对各通道接触式传声器传入的模拟信号进行模拟-数字转换时，各音频模拟-数字转换芯片统一使用控制模块生成的频率与相位一致的时钟信号。

本实施例中，步骤S7中所述的传声器标记顺序如下：

按照数字顺序将接触式传声器阵列模块中的接触式传声器标记为：传声器1，传声器2，传声器3，…，传声器N。

本实施例中，步骤S7中所述的对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器标记顺序进行排列与组合的具体排序方法如下：

按照时间顺序对传声器1的采集数据记为传声器1-1，传声器1-2，传声器1-3，…，传声器1-M，用序列表示为：

[传声器1-1，传声器1-2，传声器1-3，…，传声器1-M]

按照时间顺序对传声器2的采集数据记为传声器2-1，传声器2-2，传声器2-3，…，传声器2-M，用序列表示为：

[传声器2-1，传声器2-2，传声器2-3，…，传声器2-M]

以此类推，按照时间顺序对传声器N的采集数据记为传声器N-1，传声器N-2，传声器N-3，…，传声器N-M，用序列表示为：

[传声器N-1，传声器N-2，传声器N-3，…，传声器N-M]

本实施例中，步骤S7中所述的对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器的标记顺序进行排列与组合的具体组合方法如下：

对完成排序后的数据按照采样时刻的先后与传声器的标记顺序进行组合，用序列表示为：

[传声器1-1，传声器2-1，传声器3-1，…，传声器N-1，传声器1-2，传声器2-2，传声器3-2，…，传声器N-2，……，传声器1-M，传声器2-M，传声器3-M，…，传声器N-M]。

本实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受本实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统及方法，其特征在于，所述的乐器音板瞬态声场测量系统包括：人机交互模块、控制模块、声激励生成模块、接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块，其中，控制模块作为核心与人机交互模块、声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块连接，接触式传声器阵列模块、信号转换模块、数据同步采集模块、存储模块作为关键采集链路顺次连接，其中，

所述的人机交互模块用于接收用户输入系统的采样参数、声激励信号的参数、系统的工作状态；所述的控制模块用于控制声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块对人机交互模块的输入做出相应的响应；所述的声激励生成模块用于产生用户设置的声激励信号以带动乐器音板振动产生声场；所述的接触式传声器阵列模块用于获取乐器音板表面的瞬态声场信号并将其转换为模拟信号传入信号转化模块；所述的信号转换模块用于将各通道接触式传声器传入的模拟信号转化为数字信号；所述的数据同步采集模块用于将转化后的数字信号进行排列与组合得到瞬态声场数据；所述的存储模块用于存储采集到的乐器音板瞬态声场数据。

2.根据权利要求1所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统，其特征在于，所述的声激励生成模块由顺次连接的音频解码芯片、功放电路、电声换能器组成，工作时，电声换能器贴于乐器音板表面，先由音频解码芯片将用户设置的声激励信号转化为模拟信号，再由功放电路对模拟信号进行滤波与放大，最后通过电声换能器将完成滤波与放大的信号转换成为声音，带动乐器音板振动产生声场。

3.根据权利要求1所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统，其特征在于，所述的接触式传声器阵列模块由多枚接触式传声器组成，工作时，每一枚接触式传声器都紧贴于乐器音板的不同位置，负责获取所贴位置的音板瞬态声场信号并将其转换为模拟信号，通过连接电路把获取的信号传输到信号转换模块。

4.根据权利要求1所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统，其特征在于，所述的控制模块，由控制芯片组成，除了负责控制声激励生成模块、信号转换模块、数据同步采集模块对人机交互模块的输入做出相应的响应外，还需完成系统的初始化配置，生成系统的采集时钟。

5.根据权利要求1所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统，其特征在于，所述的信号转换模块，由多枚音频模拟数字转换芯片组成，除了将各通道接触式传声器传入的模拟信号转化为数字信号外，还可以对传入的信号进行滤波与放大。

6.一种基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法，其特征在于，所述的乐器音板瞬态声场测量方法包括如下步骤：

S1、将电声换能器放置在乐器音板上，将接触式传声器阵列紧贴于乐器音板表面的不同位置，

其中，在粘贴接触式传声器阵列时，使用粘贴剂填充于接触式传声器与乐器音板之间，排去接触式传声器与音板间的空气，其中，所述的粘贴剂为超声耦合剂、双面胶；

S2、用户通过人机交互模块设置系统的采样参数与声激励信号的参数，下达工作指令；

S3、控制模块发出工作标志给各个模块，系统开始工作；

S4、声激励模块在检测到工作标志时产生用户设置的声激励信号带动乐器音板振动产生声场；

S5、由接触式传声器阵列模块获取乐器音板的瞬态声场信号并将其转换为模拟信号传送到信号转换模块；

S6、由信号转换模块对各通道接触式传声器传入的模拟信号进行模拟-数字转换，使得各通道模拟信号同步转化为数字信号；

S7、由数据同步采集模块对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器标记顺序进行排序与组合得到瞬态声场数据，

其中，所述的传声器标记顺序如下：

按照数字顺序将接触式传声器阵列模块中的接触式传声器标记为：传声器1，传声器2，传声器3，…，传声器N；

S8、由存储模块将经过数据同步采集模块排列与组合的数据进行保存。

7.根据权利要求6所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量系统，其特征在于，所述步骤S2中系统的采集参数包括采样频率、采样位宽、采样时长；声激励信号的参数包括声激励信号类型、声激励信号频率、声激励信号相位、声激励信号幅度。

8.根据权利要求6所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法，其特征在于，所述步骤S6中，信号转换模块在对各通道接触式传声器传入的模拟信号进行模拟-数字转换时，各音频模拟-数字转换芯片统一使用控制模块生成的频率与相位一致的时钟信号。

9.根据权利要求6所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法，其特征在于，所述步骤S7中对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器标记顺序进行排列与组合的排序方法如下：

按照时间顺序对传声器1的采集数据记为传声器1-1，传声器1-2，传声器1-3，…，传声器1-M，用序列表示为：

[传声器1-1，传声器1-2，传声器1-3，…，传声器1-M]

按照时间顺序对传声器2的采集数据记为传声器2-1，传声器2-2，传声器2-3，…，传声器2-M，用序列表示为：

[传声器2-1，传声器2-2，传声器2-3，…，传声器2-M]

以此类推，按照时间顺序对传声器N的采集数据记为传声器N-1，传声器N-2，传声器N-3，…，传声器N-M，用序列表示为：

[传声器N-1，传声器N-2，传声器N-3，…，传声器N-M]。

10.根据权利要求6所述的基于音频阵列采集的乐器音板瞬态声场测量方法，其特征在于，所述步骤S7中对完成转换的数字信号按照时间顺序与传声器的标记顺序进行排列与组合的具体组合方法如下：

对完成排序后的数据按照采样时刻的先后进行组合，用序列表示为：[传声器1-1，传声器2-1，传声器3-1，…，传声器N-1，传声器1-2，传声器2-2，传声器3-2，…，传声器N-2，……，传声器1-M，传声器2-M，传声器3-M，…，传声器N-M]。

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