CN117676418B - 一种用于混合相位系统中的声场均衡方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混合相位系统中的声场均衡方法及系统，属于声场均衡技术领域，包括：响应于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；根据脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放；本发明改善了两通路音频信号重放时的声重放效果，为声场均衡技术提供了新的技术启示。

Description

一种用于混合相位系统中的声场均衡方法及系统

技术领域

本发明涉及声场均衡技术领域，具体而言，涉及一种用于混合相位系统中的声场均衡方法及系统。

背景技术

两通路音频信号重放时若听音位置偏离扬声器连线的中轴线，重放效果会变差。当重放设备布置于室内小空间，由于室内界面等对声信号的反射，使室内声传输系统为混合相位系统，导致重放效果进一步变差。理论上，通过传声器阵列拾取扬声器发出的声脉冲信号，并使用均衡器对之进行补偿，可改善声重放效果。但实际上，均衡器的设计过程涉及对声脉冲信号中不同频率成分的幅值与时延进行补偿，设计过程稍有不慎，均衡器效果会大打折扣。如Dirac设计的时延补偿系统为全通系统的逆系统，会导致音频播放效果与人类的听觉习惯相悖。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于混合相位系统中的声场均衡方法，包括以下步骤：

响应于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；

根据脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放。

优选地，响应于获取脉冲信号，将脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号。

优选地，响应于获取子带最小相位均衡器，求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器。

优选地，响应于获取子带时延，将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延。

优选地，响应于将子带最小相位均衡器和子带时延进行合成叠加成为均衡器，根据听觉滤波器的时域表达，获取听觉滤波器参数，对最小相位系统的FIR均衡器进行求解；

通过将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号，获取左、右子带信号的绝对时延；

将求解获取的FIR均衡器，依据左、右子带信号的绝对时延进行时移并求和，分别获取左、右扬声器对应的均衡器。

优选地，在获取听觉滤波器的时域表达的过程中，听觉滤波器的时域表达表示为：

其中，t>0，1≤k≤D，t表示时间，D＝11表示有11个子带滤波器，k为滤波器的序号；A为滤波器增益；b_k为滤波器的衰减因子，且与对应滤波器的带宽有关；f_k是滤波器的中心频率；φ_k是初始相位；n是滤波器的阶数；b_k＝1.019ERB(f_k)；ERB(f_k)为等效矩形带宽，ERB(f_k)＝24.7×(4.37×f_k/1000+1)。

优选地，在将通路信号经过均衡器处理馈给混合相位系统的扬声器播放的过程中，通过DSP实现混合相位系统中的声场均衡。

本发明公开了一种用于混合相位系统中的声场均衡系统，包括：

响应模块，用于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；

均衡模块，用于根据脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放。

优选地，均衡模块，还用于将脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号。

优选地，均衡模块，还用于求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器，以及将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延；并根据听觉滤波器的时域表达，获取听觉滤波器参数，对最小相位系统的FIR均衡器进行求解；通过将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号，获取左、右子带信号的绝对时延；将求解获取的FIR均衡器，依据左、右子带信号的绝对时延进行时移并求和，分别获取左、右扬声器对应的均衡器。

本发明公开了以下技术效果：

本发明改善了两通路音频信号重放时的声重放效果，为声场均衡技术提供了新的技术启示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的方法流程示意图；

图2是本发明实施例所述的室内L、R扬声器布置与N.N传声器阵列测量位置示意图；

图3是本发明实施例所述的获取脉冲响应信号的示意图；

图4是本发明实施例所述的过DSP实现混合相位系统中的声场均衡示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供了一种用于混合相位系统中的声场均衡方法，包括以下步骤：

响应于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；

根据脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡方法，在响应于获取脉冲信号时，将脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡方法，在响应于获取子带最小相位均衡器时，求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡方法，在响应于获取子带时延时，将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡方法，在响应于将子带最小相位均衡器和子带时延进行合成叠加成为均衡器时，根据听觉滤波器的时域表达，获取听觉滤波器参数，对最小相位系统的FIR均衡器进行求解；

通过将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号，获取左、右子带信号的绝对时延；

将求解获取的FIR均衡器，依据左、右子带信号的绝对时延进行时移并求和，分别获取左、右扬声器对应的均衡器。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡方法，在获取听觉滤波器的时域表达的过程中，听觉滤波器的时域表达表示为：

其中，t>0，1≤k≤D，k为滤波器的序号；A为滤波器增益；b_k为滤波器的衰减因子，且与对应滤波器的带宽有关；f_k是滤波器的中心频率；φ_k是初始相位；n是滤波器的阶数；b_k＝1.019ERB(f_k)；ERB(f_k)为等效矩形带宽，ERB(f_k)＝24.7×(4.37×f_k/1000+1)。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡方法，在将通路信号经过均衡器处理馈给混合相位系统的扬声器播放的过程中，通过DSP实现混合相位系统中的声场均衡。

本发明公开了一种用于混合相位系统中的声场均衡系统，包括：

响应模块，用于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；

均衡模块，用于根据脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡系统的均衡模块，还用于将脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号。

进一步优选地，本发明提到的声场均衡系统的均衡模块，还用于求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器，以及将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延；并根据听觉滤波器的时域表达，获取听觉滤波器参数，对最小相位系统的FIR均衡器进行求解；通过将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号，获取左、右子带信号的绝对时延；将求解获取的FIR均衡器，依据左、右子带信号的绝对时延进行时移并求和，分别获取左、右扬声器对应的均衡器。

实施例1：本发明提出一种混合相位系统中的声场均衡方法：首先，由传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号，将上述脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号；其次，求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器，将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延；最后，将子带最小相位均衡器与子带时延合成并叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放。技术路线流程图可参考图1，整个发明方案由步骤1-4组成，具体包括如下过程：

步骤1：脉冲响应信号的测量：

如图2所示，为室内L、R扬声器布置与N×N传声器阵列测量位置示意图。以传声器阵列位置代表观众的听音区，传声器阵列中心偏离中轴线X。

(a)将测试信号-最大长度序列(MLS)馈给L扬声器并播放此信号，同时由N×N传声器阵列拾取L扬声器发出的信号，标记为：s_l，1，1…s_l，N，N，如图3所示，将上述信号解卷积获取脉冲响应信号：h_l，1，1…h_1，N，N；

(b)同理，将MLS信号馈给R扬声器并播放，同时由N×N传声器阵列拾取R扬声器发出的信号，标记为：s_r，1，1…s_r，N，N，将上述信号解卷积获取脉冲响应信号：h_r，1，1…h_r，N，N。

步骤2：脉冲响应信号的分解：

混合相位系统可分解为最小相位系统与全通系统，即脉冲响应h_l/r，i，j(1≤i≤N，1≤j≤N)可分解为最小相位系统对应的脉冲响应h_{l/r，i，j_mp}(n)与全通系统的对应的脉冲响应h_{l/r,i,j_ap}(n)，表达为：

h_l/r，i，j(n)＝h_{l/r，i,j_mp}(n)*h_{l/r，i,j_ap}(n)；

其中，*表示卷积，下标有ap的表示全通系统；

令：

h_l(n)和h_r(n)表示分别表示左、右侧扬声器信号中最小相位对应脉冲响应的平均。

接下来将分别对最小相位系统与全通系统求解均衡滤波器。

步骤3：均衡滤波器的求解：

3.1、听觉滤波器参数确定：

听觉滤波器的时域表达式为：

其中，t表示时间，D＝11，表示有11个子带滤波器，k为滤波器的序号；A为滤波器增益；b_k为滤波器的衰减因子，且与对应滤波器的带宽有关；f_k是滤波器的中心频率；φ_k是初始相位；n是滤波器的阶数；b_k＝1.019ERB(f_k)；ERB(f_k)为等效矩形带宽，ERB(f_k)＝24.7×(4.37×f_k/1000+1)；令D＝11，即1≤k≤11，此时听觉滤波器组含有11个子带滤波器，滤波器的中心频率f＝[100，215，364，558，812，1147，1594，2200，3038，4231，6000]，单位Hz，其它参数可自定义。g_k(t)可分解为最小相位系统的脉冲响应g_{k_mp}(t)与全通系统的脉冲响应g_{k_ap}(t)。

3.2、最小相位系统均衡器的求解：

h_l(n)、h_r(n)的卷积矩阵分别为h_l(n)_convm、h_r(n)_convm，最小相位系统的均衡器使用FIR滤波器f(n)，滤波器长度为L_x，

令：h_l(n)_convm·f_l(n)＝δ(n)；δ(n)表示单位冲击函数，f_l(n)表示左扬声器信号需要使用的滤波器，f_r(n)表示右扬声器信号需要使用的滤波器。

h_r(n)_convm·f_r(n)＝δ(n)；

且：h_l(n)_convm·f_l(n)＝h_r(n)_convm·f_r(n)；

根据最小二乘法思想：

令J表示均方差的期望。

即可求得f_l(n)、f_r(n)。

将最小相位均衡滤波器分解为11个子带最小相位均衡滤波器：

f_lk(n)＝f_l(n)*g_{k_mp}(n)，f_rk(n)＝f_r(n)*g_{k_mp}(n)，1≤k≤D。

3.3、全通系统均衡滤波器的求解：

将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号：

令左、右子带信号之间的归一化互相关系数为Φ(l)，

T为自定义正整数。

当Φ(l)为最大值时，l的值为τ_{i，j，N-j+1_k}，表示为：

τ_{i，j，N-j+1_k}＝{l|argmax(Φ(l))}，

令：

τ_k即为左、右子带信号在听音区的相对时延。

设：τ_k＝a_k-b_k，a_k，b_k为左、右子带信号的绝对时延，

令：

可求出a_k，b_k。此处，全通系统的均衡滤波器实质上是一系列的时延设计。

3.4、均衡滤波器的合成：

将步骤3.2求解的子带最小相位均衡滤波器分别时移a_k个单位并求和，可获得与左扬声器对应的均衡滤波器F_l(n)：

同理：右扬声器对应的均衡滤波器F_r(n)：

步骤4：DSP实现：

扬声器播放的信号为立体声，x_l为左声道信号，x_r为右声道信号。如图4所示，x_l、x_r分别经过F_l(n)、F_r(n)均衡后分别馈给图中所示的L\R扬声器。上述过程即为通过DSP实现混合相位系统中的声场均衡。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种用于混合相位系统中的声场均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

响应于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；

根据所述脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放；

响应于获取所述脉冲信号，将所述脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号；

响应于获取子带最小相位均衡器，求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器；

响应于获取子带时延，将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延；

响应于将子带最小相位均衡器和子带时延进行合成叠加成为均衡器，根据听觉滤波器的时域表达，获取听觉滤波器参数，对最小相位系统的FIR均衡器进行求解；

通过将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号，获取左、右子带信号的绝对时延；

将求解获取的FIR均衡器，依据左、右子带信号的绝对时延进行时移并求和，分别获取左、右扬声器对应的所述均衡器；

在获取听觉滤波器的时域表达的过程中，所述听觉滤波器的时域表达表示为：

其中，t＞0，1≤k≤D，t表示时间，D＝11表示有11个子带滤波器，k为滤波器的序号；A为滤波器增益；b_k为滤波器的衰减因子，且与对应滤波器的带宽有关；f_k是滤波器的中心频率；φ_k是初始相位；n是滤波器的阶数；b_k＝1.019ERB(f_k)；ERB(f_k)为等效矩形带宽，ERB(f_k)＝24.7×(4.37×f_k/1000+1)；

在将通路信号经过均衡器处理馈给混合相位系统的扬声器播放的过程中，通过DSP实现混合相位系统中的声场均衡。

2.一种用于混合相位系统中的声场均衡系统，其特征在于，包括：

响应模块，用于在两通路音频信号重放时，在偏离混合相位系统的扬声器连线的中轴线的一侧，通过传声器阵列拾取扬声器信号并转换为脉冲信号；

均衡模块，用于根据所述脉冲信号，获取子带最小相位均衡器和子带时延，并进行合成叠加成为均衡器，将通路信号经过均衡器处理，馈给扬声器播放；

所述均衡模块，还用于将所述脉冲信号分解为最小相位系统、全通系统对应的两种脉冲信号；

所述均衡模块，还用于求解最小相位系统对应的均衡器并通过听觉滤波器组将之分解为子带最小相位均衡器，以及将全通系统对应的脉冲响应分解为子带信号并求解子带信号之间的绝对时延；并根据听觉滤波器的时域表达，获取听觉滤波器参数，对最小相位系统的FIR均衡器进行求解；通过将全通系统对应的脉冲信号分解为子带信号，获取左、右子带信号的绝对时延；将求解获取的FIR均衡器，依据左、右子带信号的绝对时延进行时移并求和，分别获取左、右扬声器对应的所述均衡器；

系统在获取听觉滤波器的时域表达的过程中，所述听觉滤波器的时域表达表示为：

其中，t＞0，1≤k≤D，t表示时间，D＝11表示有11个子带滤波器，k为滤波器的序号；A为滤波器增益；b_k为滤波器的衰减因子，且与对应滤波器的带宽有关；f_k是滤波器的中心频率；φ_k是初始相位；n是滤波器的阶数；b_k＝1.019ERB(f_k)；ERB(f_k)为等效矩形带宽，ERB(f_k)＝24.7×(4.37×f_k/1000+1)；

系统通过DSP实现混合相位系统中的声场均衡。