CN113395638B - 一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，是一种测量目标重放区域边界处的房间脉冲响应，利用FFT得到频域内声传递函数，利用等效源法插值重放区域内部扬声器到预测点的声传递函数，利用声场逆运算，求得扬声器阵列的驱动函数。声场逆运算通常为病态的，具有不适定性，使用正则化方法确保求解的稳定性。正则化方法选择Tikhonov正则化。本发明使用等效源法插值扬声器阵列声传递函数进行声场重放，较目前使用的声压匹配方法，增加了扬声器阵列与传声器阵列排布的自由度，更为经济实用，可操作度高，计算速度快，重放效果精度高。在封闭空间声场重放中，可以取得良好的效果。

Description

一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法

技术领域

本发明属于空间声场重放技术领域，涉及一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法。

背景技术

声场重放(Sound Field Reproduction，SFR)旨在重现一个完整的声学环境或者合成一个期望的声学场景。空间声场重放技术是一种通过耳机或者多个扬声器为听者提供空间立体声体验的方法。使用耳机重放声场是比较便捷的方法，但是如果长期佩戴耳机会引起耳朵的不适，耳机重放在空间定位方面也存在不足。因此，对于多个听者，实现空间声的重放，需要借助扬声器重放的方式。为了避免扬声器阵列重放过程中复杂的计算，“一种多区域声场重放系统中扬声器布放优化的迭代方法”，其发明专利公开号为CN1l2565972A，为中国专利，提出了一种基于声压匹配的扬声器声场重放方法。但是此方法的控制点只限于传声器的测量点，重放误差大。因此，本设计采用等效源法对扬声器传递函数进行插值计算，降低重放误差。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法。

技术方案

一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、确定扬声器阵列的位置：将扬声器个数为L的扬声器阵列布置在所需的期望声场边界或在房间中贴墙摆放；

步骤2、设置目标声场区域：将个数为M的传声器置于目标声场区域边界，测量每个扬声器到每个传声器的房间脉冲响应，利用傅里叶变换，得到传声器个点处扬声器阵列的传递函数G⁺；在测量频率范围内，传声器位置上脉冲声源产生的峰值声压级至少高于相应频段内背景噪声45dB；

所述目标声场区域为房间中听众期望的空间声场位置；

步骤3：设置目标区域内的重放声压p_des，为已录制的声场环境声压或为合成的期望声场场景声压；

步骤4：将目标区域内按照个数为K网格化分布，设置等效声源的位置，个数记为N；第n个等效源r_n到第m个传声器r_m间的自由空间传递函数为：

其中

为波数，f为频率，c为空气中的声速为340m/s；

传声器r_m点处的期望声压p_des为N个等效源辐射声压之和：

其中w_n为等效声源的权值系数，矩阵形式为：

p_des＝G_n，mW_n；

步骤5：使用Tikhonov正则化方法求解p_des＝G_n，mW_n，得到等效源权值系数W_n；

步骤6：预测点k处的声压为：

在目标重放声场区域内预测点k处的由扬声器阵列产生的声压表示由等效声源表示：

矩阵形式为：

G_k＝G_n，kW_n

插值后的扬声器到目标声场重放区域内的声传递函数为：

步骤7：重放区域内的预先测量的或合成的期望声压为p_des，利用Tikhonov正则化求解声学逆运算：

计算扬声器的权重系数W，以此扬声器的权重系数，作为扬声器的驱动信号，从而实现扬声器声场重放。

所述扬声器阵列为随意排布的扬声器阵列。

所述扬声器阵列包括但不限于：线阵列，平面阵列，环形阵列或球形阵列。

所述等效声源的个数N大于传声器测量点个数M。

有益效果

本发明提出的一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，是一种测量目标重放区域边界处的房间脉冲响应，利用FFT得到频域内声传递函数，利用等效源法插值重放区域内部扬声器到预测点的声传递函数，利用声场逆运算，求得扬声器阵列的驱动函数。声场逆运算通常为病态的，具有不适定性，使用正则化方法确保求解的稳定性。正则化方法选择Tikhonov正则化。

本发明使用等效源法插值扬声器阵列声传递函数进行声场重放，较目前使用的声压匹配方法，增加了扬声器阵列与传声器阵列排布的自由度，更为经济实用，可操作度高，计算速度快，重放效果精度高。在封闭空间声场重放中，可以取得良好的效果。

附图说明

图1：某封闭空间中二维平面扬声器、传声器与等效源的分布示意图

图2：声传递函数测量流程图

图3：本发明声场重放方法的流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：确定扬声器阵列的位置。扬声器阵列的排布形式可以根据需要为线阵列，平面阵列，环形阵列，球形阵列等，也可以是随意排布的扬声器阵列。扬声器的个数为L。设定扬声器阵列在房间中的摆放位置。可以贴墙摆放，也可以根据需求，将扬声器阵列布置在所需的期望声场边界。

步骤2：设置目标声场区域。目标声场区域通常为房间中听众期望的空间声场位置。在目标声场区域边界放置传声器，测量每个扬声器到每个传声器的房间脉冲响应。在测量频率范围内，传声器位置上脉冲声源产生的峰值声压级应至少高于相应频段内背景噪声45dB。传声器的个数为M。利用傅里叶变换，得到传声器个点处扬声器阵列的传递函数G⁺。

步骤3：设置目标区域内的重放声压p_des，一般为已录制的声场环境声压，也可为合成的期望声场场景声压。

步骤4：设置目标区域内的预测点位置，可取网格化分布，个数为K。设置等效声源的位置，个数记为N。第n个等效源r_n到第m个传声器r_m间的自由空间传递函数为

其中

为波数，f为频率，c为空气中的声速，一般为340m/s。传声器r_m点处的期望声压p_des为N个等效源辐射声压之和，则

其中w_n为等效声源的权值系数。将上式写成矩阵形式为：

p_des＝G_n，mW_n (2)

步骤5：通常情况下，等效声源的个数N大于传声器测量点个数M，则式(2)为欠定线性方程组。使用Tikhonov正则化方法求解，求得等效源权值系数W_n。

步骤6：预测点k处的声压为：

在目标重放声场区域内预测点k处的由扬声器阵列产生的声压可以表示由等效声源表示，则：

矩阵形式为：

G_k＝G_n，kW_n (5)

插值后的扬声器到目标声场重放区域内的声传递函数为：

步骤7：重放区域内的预先测量的或合成的期望声压为p_des，利用Tikhonov正则化求解声学逆运算：

求得扬声器的权重系数W。此扬声器的权重系数，可作为扬声器的驱动信号，从而实现扬声器声场重放。

现结合实例、附图详细描述本发明的声场重放方法：假设在某封闭空间中，为简明与清晰描述，以二维平面声场重放为例(三维范例也可很容易的扩展)。

封闭空间中二维平面扬声器、传声器与等效源的分布如附图1所示。房间长宽高为4m，4m，3m。在高为1.5m平面内，以中心点为坐标原点。环形扬声器阵列的半径为1m。环形等效源半径为1.2m，个数为45。方形声场重放区域长宽为1m，1m。

步骤1：测量每个扬声器到所有传声器位置的房间脉冲响应。在测量频率范围内，传声器位置上脉冲声源产生的峰值声压级应至少高于相应频段内背景噪声45dB。进行傅里叶变换计算每个扬声器分别到每个传声器的声传递函数，记为G⁺。

步骤2：设定重放区域内预测点k的个数为100，呈网格离散均匀分布。

步骤3：利用等效源法，计算扬声器到预测点处的声传递函数。

G_k＝G_n，kW_n (8)

扬声器到预测点k处的声传递函数可以由等效源表示。G_n，k为等效源到k点处的传递函数，W_n为等效源的权值系数。

步骤4：将步骤3所得的声传递函数G_k与传声器测量的声传递函数G⁺进行插值，得到扬声器到重放区域的整体声传递函数

步骤5：重放区域内的预先测量的或合成的期望声压为p_des，利用Tikhonov正则化求解声学逆运算：

求得扬声器的权重系数。从而实现扬声器声场重放。

Claims (4)

1.一种基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、确定扬声器阵列的位置：将扬声器个数为L的扬声器阵列布置在所需的期望声场边界或在房间中贴墙摆放；

步骤2、设置目标声场区域：将个数为M的传声器置于目标声场区域边界，测量每个扬声器到每个传声器的房间脉冲响应，利用傅里叶变换，得到传声器个点处扬声器阵列的传递函数G⁺；在测量频率范围内，传声器位置上脉冲声源产生的峰值声压级至少高于相应频段内背景噪声45dB；

所述目标声场区域为房间中听众期望的空间声场位置；

步骤3：设置目标区域内的重放声压p_des，为已录制的声场环境声压或为合成的期望声场场景声压；

步骤4：将目标区域内按照个数为K网格化分布，设置等效声源的位置，个数记为N；第n个等效源r_n到第m个传声器r_m间的自由空间传递函数为：

其中

为波数，f为频率，c为空气中的声速为340m/s；

传声器r_m点处的期望声压p_des为N个等效源辐射声压之和：

其中w_n为等效声源的权值系数，矩阵形式为：

p_des＝G_n,mW_n；

步骤5：使用Tikhonov正则化方法求解p_des＝G_n,mW_n，得到等效源权值系数W_n；

步骤6：预测点k处的声压为：

在目标重放声场区域内预测点k处的由扬声器阵列产生的声压表示由等效声源表示：

矩阵形式为：

G_k＝G_n,kW_n

插值后的扬声器到目标声场重放区域内的声传递函数为：

步骤7：重放区域内的预先测量的或合成的期望声压为p_des，利用Tikhonov正则化求解声学逆运算：

计算扬声器的权重系数W，以此扬声器的权重系数，作为扬声器的驱动信号，从而实现扬声器声场重放。

2.根据权利要求1所述基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，其特征在于：所述扬声器阵列为随意排布的扬声器阵列。

3.根据权利要求1所述基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，其特征在于：所述扬声器阵列包括但不限于：线阵列，平面阵列，环形阵列或球形阵列。

4.根据权利要求1所述基于等效源法的室内声场扬声器重放方法，其特征在于：所述等效声源的个数N大于传声器测量点个数M。

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