CN113115199B - 一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法。所述方法包括以下步骤：预设坐标参考系，获取各扬声器单元的坐标，设定初始听音中心的位置坐标，获得车载声重放系统信号处理的初始距离参数集；测量获取各扬声器单元至初始听音中心的脉冲响应，提取得到初始延时参数集；采用特定方式获得新听音中心的位置坐标，并获取各扬声器单元相对于新听音中心的距离参数集；基于相对于新听音中心的距离参数集，生成适应新听音者的优化延时参数。本发明可根据不同听音者进行重放信号延时的个性化处理，从而实现更优的空间声场重放效果。

Description

一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法

技术领域

本发明涉及汽车声重放领域，具体涉及一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法。

背景技术

汽车声重放系统是为减轻驾驶员和乘者在乘坐中的枯燥感而设置的接收和重放声音的装置。最早使用的是汽车调幅收音机，调幅调频收音机、磁带放音机。后来，发展至CD播放器和兼容DCC、DAT等数码多媒体影音娱乐。随着信息技术的发展，汽车声重放系统还需要支持各种特定制式节目源，如双通路立体声、5.1通路环绕声、以及其他多通路声等等。

汽车声学空间可以是一个封闭(关窗)或半封闭(开窗)的声学空间，声源(有一定指向性)声波以直达声和反射声的方式叠加到双耳。直达声可以由重放扬声器单元与目标听音者(可能是驾驶员或乘客)的几何位置关系粗略决定；反射声则来自挡风玻璃、车窗、天花板和地板等表面。在立体声和多通路声重放系统中，对于直达和反射声波的处理，车载声重放和家用声重放存在以下区别：

直达声波的处理：传统的室内声重放系统中，通常采用基于中心听音甜区的空间对称布置。但是，车内的座椅是固定布置的，使得乘坐者(听音者)偏离中心位置，且不同座位的听者非常靠近不同扬声器单元(各通路扬声器到听音者的传输距离不同)，从而为多通路声重放的信号处理带来困难，想要同时兼顾所有座位的多通路声重放方案几乎是不可能的。通常的解决办法通常有：①通过通路延时调节的办法，照顾某个座位的听音者，即只为目标听者营造最佳听音效果；②兼顾所有座位的听者，即按照传统声重放方法，但是由于听者不在中心位，会使得各听音位的效果都不是最佳。

反射声波的处理：传统的室内声重放系统中，由于反射声对于多通路声重放系统是不利的，因此需要通过吸声处理等办法尽可能反射声的影响。但是，在汽车内的小型声学空间，再加之挡风玻璃和车窗等近距离反射边界不可避免，会使得：①低频驻波和高频声波快速衰减等声场特性与大空间存在显著区别；②由于汽车内座位的非对称布置，会使得不同座位的乘坐者(听音者)靠近不同的反射面；③前排座椅的反射和遮挡座椅，使得前后排重放区域的声场条件迥异。通常的解决方案是采用一定的均衡处理办法，以及对不同位置的声重放效果在合理的物理声学条件范围内进行优化或者折中。

除了上述关于车载声重放与传统家用声重放的差别，汽车声学空间限制下还面临以下方面的问题或困难：

分频扬声器的位置分离：分频技术是扬声器系统的常用技术手段，目的在于不损失扬声器频率响应范围的前提下，尽可能地提升辐射声压级(动态范围)，以满足不同声重放领域的声学参数要求。在车载声重放中，由于汽车内声学空间(包括车身厚度和车内空间)的限制，扬声器单元的放置空间受限，因而与扬声器单元尺寸相关的扬声器频率响应特性也受到影响。采用分频扬声器的解决方案时，往往通过分离布置分频扬声器单元在车内不同位置，以优化车载声重放扬声器系统的声辐射频响特性和辐射声压级动态范围。因为车内环境的限制，各分频扬声器单元在空间位置的分离较大(包括①相对于车底板的高度位置分离和②相对于目标听音者远近距离上的分离)，从而导致各分频扬声器单元相对于目标听音者头中心位置的张角和距离差都不容忽视，这与传统的室内多通路声重放系统所面临的分频扬声器有很大不同，对其相应的信号处理带来进一步的困难。如果设计不当，甚至会对重放效果产生破坏性影响。

目标听音者的个性化差异：不同乘坐者(驾驶员或乘客等目标听音者)在身高、体型、乘坐习惯等方面存在差异，这将引起不同乘坐者的个性化头中心位置存在差异，从而导致上述不同通路(以及不同分频扬声器单元)到目标听音者的空间不对称性角度值和传输距离差值都发生变化。这就意味着基于目标听音者A的信号参数并不适用于目标听音者B(考虑到同一款车理论上需要满足不同驾驶人员个体的需求)，或者说不同目标听音者之间的声信号处理参数应该存在个性化差异。这正是本发明方案的出发点和落脚点，即基于不同使用者的差异性，通过自适应的车载声重放信号处理办法，对不同的使用者(听音者)都能达到良好的重放效果。

已有文献对某个特定的听音者偏离中心位的车载声重放系统给出了解决方案(详见文献：Smithers M J.Improved stereo imaging in automobiles[C]//AudioEngineering Society Convention 123.Audio Engineering Society,2007.)。但是，该方法未对不同身高、体型和乘坐习惯的目标听音者而做出相应的改变或调整。

总之，不同乘坐者身高、体型、乘坐习惯等方面存在差异的所引起的听音中心位置变化，将导致各通路相对于听者的位置差异、以及分频扬声器单元相对于听者的位置差异都将发生改变，从而可能导致车载声重放系统中设置通路延时参数失准，引起重放效果在不同听者之间的不稳定性(或不一致性)。但是，这个问题目前并未得到研究者的重视，也没有很好的解决办法。

发明内容

本发明涉及车载声重放系统，提出一种适应听音中心位的车载声重放信号处理方法。首先在汽车声学空间定义一个参考系，基于参考系测量获取车载声重放中系统各扬声器单元的空间位置坐标，预设听音中心坐标集，从而获得车载声重放系统信号处理的初始距离参数集。然后，将传声器放置于预设目标听音中心位，通过传声器捡拾依次获取各扬声器单元与该中心位之间的声传输特性(脉冲响应)，并基于传输特性提取得到各扬声器单元馈给信号的初始延时集。最后，当特定听音者(如驾驶员或副驾乘客)调整好座椅及靠背后，通过适当方式获取其个性化听音中心位的坐标，算出其与各扬声器单元的实际距离，与初始距离数据一起组成距离差值参数集，用以优化车载声重放系统各通路和各分频扬声器单元的实际延时，通过选择中心位为目标听音者营造更好的空间听觉重放效果。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，包括以下步骤：

S1：预设坐标参考系，获取各扬声器单元的坐标，设定初始听音中心的位置坐标，获得车载声重放系统信号处理的初始距离参数集；

S2：测量获取各扬声器单元至初始听音中心的脉冲响应，提取得到初始延时参数集；

S3：采用特定方式获得新听音中心的位置坐标，并获取各扬声器单元相对于新听音中心的距离参数集；

S4：基于相对于新听音中心的距离参数集，生成适应新听音者的优化延时参数。

进一步地，在步骤S1中，预设车载声重放系统的坐标系(O-xyz)，不失一般性，坐标原点O为主驾座椅置于最前端和最低时的坐垫中心，x轴从坐标原点指向主驾座椅前方，y轴从坐标原点指向副驾驶位，z轴垂直向上；

所述车载声重放系统是指在小汽车内的多通路声重放系统，为车内乘坐者提供空间听觉重放效果，通常由中控播放器提供的音源、分频和延时信号处理、功率放大器和扬声器单元(组)等构成。

进一步地，基于坐标系(O-xyz)，测量获取各扬声器单元中心位置坐标S_ij(x_ij,y_ij,z_ij)，其中x_ij、y_ij和z_ij为各扬声器单元在车厢内车载声重放系统的坐标系下的空间位置坐标；i表示不同通路方位序号，i＝{FR,FL,FC,BR,BL,SW,S}，FR、FL、FC、BR、BL、SW和S分别对应前右扬声器、前左扬声器、前中置扬声器、后右扬声器、后左扬声器、辅助低音扬声器和其他可扩展扬声器单元(组)；j表示各通路的分频序号，j＝{L,M,H}，L、M和H分别对应低频扬声器单元、中频扬声器单元和高频扬声器单元；

在预设的坐标系(O-xyz)下，设定初始听音中心的位置为

其中主驾对应k＝1，副驾对应k＝2；

为获得较好的初始听音中心位置，根据人类坐姿上半身的身高h₀、等效头半径a₀、座椅靠背倾角

(表示座椅靠背与z轴成夹角

)、座椅退程x₀和座椅升程z₀，共同确定初始听音中心的坐标，具体如下：

进一步地，根据两点坐标距离公式得到各扬声器单元相对于初始听音中心的距离参数集

进一步地，在步骤S2中，在车载声重放系统的声卡和功放作用下，以相同信源强度依次驱动不同扬声器单元，测得各扬声器单元到初始听音中心位置

的声传输特性即脉冲响应；

基于脉冲响应获得初始延时参数集

并用相对于初始听音中心的距离参数集

加以验证；k表示目标座位，i表示不同通路方位序号，j表示各通路的分频序号。

进一步地，若不考虑分频扬声器之间的相对延时，则初始延时参数集选用高频通路的延时

i表示不同通路方位序号，k表示目标座位，各通路的分频序号j＝H。

进一步地，在步骤S3中，通过特定方式获得第n位新听音者对应的听音中心即第n个新听音中心的位置坐标为

具体如下：

假定第n位新听音者双耳离坐垫高度为h_n，等效头半径为a_n，座椅靠背倾角为

座椅退程为x_n，座椅升程为z_n，则第n位新听音者对应的听音中心坐标表示为：

基于第n位新听音者对应的听音中心的坐标

和各扬声器单元中心位置坐标S_ij(x_ij,y_ij,z_ij)，进而获取各扬声器单元相对于第n个新听音中心的距离参数集

进一步地，在步骤S4中，根据步骤S1中获得的初始距离参数集

步骤S2中获得的初始延时参数集

或

以及步骤S3中获取的各扬声器单元相对于第n个新听音中心的距离参数集

得到适应第n个新听音者的个性化听音中心的优化延时参数，如下式所示：

式中，c₀表示空气中的声速。

进一步地，当不考虑分频扬声器单元之间延时差值，仅取高频通路延时进行处理，则适应第n个新听音者的个性化听音中心的优化延时参数为：

进一步地，所述优化延时参数存储于车载重放系统，在实际使用中根据需要进行测量优化或者直接根据使用记录进行选取；不需要优化时，则选用初始延时参数作为默认参数。

相对于现有技术，本发明的优点及有益效果包括：

1、设定坐标系，预设听音中心，使其符合人体工学规律，获得初始延时(延时默认值)；

2、能快速获取目标听音中心位的位置坐标，并基于坐标参数集进一步优化延时参数；

3、采用上述适应于听音中心位置的车载声重放信号的延时后处理，可根据不同听音者进行重放信号延时的个性化处理，从而实现更优的空间声场重放效果。

附图说明

图1为适应于听音中心位的车载声重放系统原理图；

图2a为坐标参考系示意图；

图2b为初始听音中心位置参数示意图；

图3为车载声重放扬声器系统各单元位置俯视图；

图4为车载声重放扬声器系统分频扬声器单元位置侧视图；

图5为超低音扬声器与前排左侧高频扬声器脉冲响应相对延时示意图；

图6a为实施过程中的默认模式示意图；

图6b为实施过程中的优化模式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：预设坐标参考系，获取各扬声器单元的坐标，设定初始听音中心的位置坐标，获得车载声重放系统信号处理的初始距离参数集；

如图2a所示，预设车载声重放系统的坐标系(O-xyz)，不失一般性，坐标原点O为主驾座椅置于最前端和最低时的坐垫中心，x轴从坐标原点指向主驾座椅前方，y轴从坐标原点指向副驾驶位，z轴垂直向上；

所述车载声重放系统是指在小汽车内的多通路声重放系统，为车内乘坐者提供空间听觉重放效果，通常由中控播放器提供的音源、分频和延时信号处理、功率放大器和扬声器单元(组)等构成。

目前多种类型的车载声重放系统已经在量产车型上已经成熟应用，例如奔驰E级搭载的柏林之声顶级3D环绕声系统(

High-End 3D-Surround-Soundsystem)、广汽讴歌RDX搭载的ELS环绕立体声音响系统(ELS STUDIO 3D)、宝马7系搭载的宝华韦健钻石环绕声系统(Bowers&Wilkins Diamond Surround Sound System)，同样，这些成熟应用的车载声重放系统也未涉及到未对不同身高、体型和乘坐习惯的目标听音者而做出相应的改变或调整。

在预设的坐标系(O-xyz)下，设定初始听音中心的位置为

其中主驾对应k＝1，副驾对应k＝2；

为获得较好的初始听音中心位置，本实施例中，如图2b所示，参照国家标准GB/T10000-1988，获得中国人坐姿上半身的身高中位数h₀＝0.908m，等效头半径a₀＝0.088m，座椅适中的退程x₀＝0.085m,座椅升程z₀＝0，以及参照人工学座椅设计的最佳靠背倾角

(表示人工学座椅靠背与z轴成夹角

)，从而近似出预设听音中心位

(对应主驾位置)坐标为(-0.311,0,0.788)；

在一个实施例中，作为某款车型的实例，车内扬声器的布局方式为5.1声道环绕声系统布局，前排左侧、右侧、中置扬声器分别位于两侧车门与A柱、仪表板中心位置，左环绕、右环绕扬声器分别位于主驾侧后排车门、副驾侧后排车门，超低音扬声器位于汽车尾厢，如图3、图4所示。基于上述图2中预设的坐标系(O-xyz)，获取各扬声器单元中心位置坐标S_ij(x_ij,y_ij,z_ij)，其中x_ij、y_ij和z_ij为各扬声器单元在车厢内车载声重放系统的坐标系下的空间位置坐标；i表示不同通路方位序号，i＝{FR,FL,FC,BR,BL,SW,S}，FR、FL、FC、BR、BL、SW和S分别对应前右扬声器、前左扬声器、前中置扬声器、后右扬声器、后左扬声器、辅助低音扬声器和其他可扩展扬声器单元(组)；j表示各通路的分频序号，j＝{L,M,H}，L、M和H分别对应低频扬声器单元、中频扬声器单元和高频扬声器单元；

以主驾听音位置(k＝1)为例，获得各个扬声器单元中心位置S_ij的坐标(x_ij,y_ij,z_ij)，包括S_FL,H＝(0.200,-0.280,0.520)，S_FL,M＝(0.220,-0.300,0.460)，S_FL,L＝(0.060,0,-0.180)，S_FR,H＝(0.200,0.980,0.520)，S_FR,M＝(0.220,1.000,0.460)，S_FR,L＝(0.060,0.810,-0.180)，S_FC＝(0.155,0.350,0.440)，S_BL＝(-0.810,-0.350,-0.065)，S_BR＝(-0.810,1.050,-0.065)，S_SW＝(-1.800,0.300,-0.080)，预设听音中心位

的坐标(-0.311,0,0.788)。

在另一个实施例中，可以基于副驾听音位置(k＝2)，获得各个扬声器单元中心位置的坐标。

根据坐标位置关系计算得出车载声重放系统各扬声器单元相对于预设头中心位置的距离

即：

S2：测量获取各扬声器单元至初始听音中心的脉冲响应，提取得到初始延时参数集；

在一个实施例中，基于房间脉冲响应的方法，使用18阶MLS信号作为测量信号，信号分别经车内的各个扬声器进行重放；在车内主驾头部中心位置处布置传声器(B&K4192)，传声器的输出经前置放大器和Fireface UC声卡的A/D转换后输入笔记本电脑进行存储，对录制得到的信号和原信号求互相关即可得到各通路的脉冲响应，超低音扬声器与前排左侧高频扬声器脉冲响应延时如图5所示数，进而用通路互相关函数求出各通路扬声器声波相比于S_FL,H的传输延时，即：

个别延时负值表示实测延时与几何距离存在一定偏差，因此初始值以测量为准。

S3：采用特定方式获得新听音中心的位置坐标，并获取各扬声器单元相对于新听音中心的距离参数集；

在一个实施例中，采用测量的方式得到新听音者(假定序号为1的新受试者，即n＝1)的身体参数数据，在另一个实施例中，采用测量或者用户通过界面手动输入的方式得到新听音者的身体参数数据，h₁＝0.986m，等效头半径a₁＝0.098m，座椅后退距离x₁＝0.100m，座椅升降距离z₁＝0.020m,座椅靠背倾角

为20°(与z轴成夹角)，从而近似得出第1个新听音中心的位置

的坐标为(-0.404,0,0.834)；根据坐标位置关系计算得出车载声重放系统各扬声器单元相对于第1个第1个新听音中心的位置的距离分别为：

S4：基于相对于新听音中心的距离参数集，生成适应新听音者的优化延时参数；

根据步骤S1中获得的初始距离参数集

步骤S2中获得的初始延时参数集

或

以及步骤S3中获取的各扬声器单元相对于第n个新听音中心的距离参数集

得到适应第n个新听音者的个性化听音中心的优化延时参数，如下式所示：

式中，c₀表示空气中的声速，取340m/s；本实施例中，适应第1个新听音者的个性化听音中心的优化延时参数具体如下：

对于车载重放系统而言，可根据实际使用的需要，对上述延时整体平移，然后基于音源信号的采样频率(如44100Hz)将各通路重放延时转化为延时点数(见图5)进行补偿，从而适应于新听音中心进行声重放。

对于重放系统而言，可根据实际使用的需要，对上述延时整体平移，然后基于音源信号的采样频率(如44100Hz)将各通路重放延时转化为延时点数(见图5)进行补偿，从而适应于新的听音中心进行声重放。

在一个实施例中，具体实施过程中可以采用基于预设听音中心的默认模式，如图6a所示，即不适应新听音中心的变化，但符合人类工效学统计特征的较优听音中心；在另一个实施例中，具体实施过程中可以采用需要依赖于上述软硬件处理、能适应于不同听音者的优化模式，同时能兼容默认模式，如图6b所示。从上述的优化模式的实例可见，适应听音中心的车载声重放信号延时方法，能够适合于不同听音者的车内声重放。本发明可以自适应的选择最佳延时网络来匹配不同听音者，在不损失音质的前提下改善车载立体声重放的效果。与传统的标准化延时网络相比，提高了重放效果，本发明优化了车内的听觉体验。

上述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上述实施例的限制,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 (8)

1.一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：预设坐标参考系，获取各扬声器单元的坐标，设定初始听音中心的位置坐标，获得车载声重放系统信号处理的初始距离参数集；预设车载声重放系统的坐标系(O-xyz)，坐标原点O为主驾座椅置于最前端和最低时的坐垫中心，x轴从坐标原点指向主驾座椅前方，y轴从坐标原点指向副驾驶位，z轴垂直向上；

基于坐标系(O-xyz)，测量获取各扬声器单元中心位置坐标S_ij(x_ij,y_ij,z_ij)，其中x_ij、y_ij和z_ij为各扬声器单元在车厢内车载声重放系统的坐标系下的空间位置坐标；i表示不同通路方位序号，i＝{FR,FL,FC,BR,BL,SW,S}，FR、FL、FC、BR、BL、SW和S分别对应前右扬声器、前左扬声器、前中置扬声器、后右扬声器、后左扬声器、辅助低音扬声器和其他可扩展扬声器单元；j表示各通路的分频序号，j＝{L,M,H}，L、M和H分别对应低频扬声器单元、中频扬声器单元和高频扬声器单元；

在预设的坐标系(O-xyz)下，设定初始听音中心的位置为

其中主驾对应k＝1，副驾对应k＝2；

根据人类坐姿上半身的身高h₀、等效头半径a₀、座椅靠背倾角

座椅退程x₀和座椅升程z₀，共同确定初始听音中心的坐标，具体如下：

S2：测量获取各扬声器单元至初始听音中心的脉冲响应，提取得到初始延时参数集；

S3：获得新听音中心的位置坐标，并获取各扬声器单元相对于新听音中心的距离参数集；

S4：基于相对于新听音中心的距离参数集，生成适应新听音者的优化延时参数。

2.根据权利要求1所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，根据两点坐标距离公式得到各扬声器单元相对于初始听音中心的距离参数集

3.根据权利要求2所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，在步骤S2中，在车载声重放系统的声卡和功放作用下，以相同信源强度依次驱动不同扬声器单元，测得各扬声器单元到初始听音中心位置

的声传输特性即脉冲响应；

基于脉冲响应获得初始延时参数集

并用相对于初始听音中心的距离参数集

加以验证；k表示目标座位，i表示不同通路方位序号，j表示各通路的分频序号。

4.根据权利要求3所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，若不考虑分频扬声器之间的相对延时，则初始延时参数集选用高频通路的延时

i表示不同通路方位序号，k表示目标座位，各通路的分频序号j＝_H。

5.根据权利要求4所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，在步骤S3中，获得第n位新听音者对应的听音中心即第n个新听音中心的位置坐标为

具体如下：

假定第n位新听音者双耳离坐垫高度为h_n，等效头半径为a_n，座椅靠背倾角为

座椅退程为x_n，座椅升程为z_n，则第n位新听音者对应的听音中心坐标表示为：

基于第n位新听音者对应的听音中心的坐标

和各扬声器单元中心位置坐标S_ij(x_ij,y_ij,z_ij)，进而获取各扬声器单元相对于第n个新听音中心的距离参数集

6.根据权利要求5所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，在步骤S4中，根据步骤S1中获得的初始距离参数集

步骤S2中获得的初始延时参数集

或

以及步骤S3中获取的各扬声器单元相对于第n个新听音中心的距离参数集

得到适应第n个新听音者的个性化听音中心的优化延时参数，如下式所示：

式中，c₀表示空气中的声速。

7.根据权利要求6所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，当不考虑分频扬声器单元之间延时差值，仅取高频通路延时进行处理，则适应第n个新听音者的个性化听音中心的优化延时参数为：

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种适应听音中心位的车载声重放信号延时方法，其特征在于，所述优化延时参数存储于车载重放系统，在实际使用中根据需要进行测量优化或者直接根据使用记录进行选取；不需要优化时，则选用初始延时参数作为默认参数。

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