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利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法和裝置的制作方法

文檔序號:7855530閱讀:161來源:國知局
專利名稱:利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種揚聲器陣列寬帶聲場控制方法和裝置,特別涉及一種利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法和裝置。
背景技術(shù)
在大型廳堂、體育場館、露天廣場、火車站和飛機場等大空間視聽場所,傳統(tǒng)的基于多個揚聲器分離放置的聲重放系統(tǒng),由于多個揚聲器所輻射空間聲場存在著較為嚴(yán)重的干涉效應(yīng),會造成多揚聲器所疊加聲場在空間上出現(xiàn)較多的峰谷點,特別隨著輻射信號頻率的增加,這種疊加聲場空間分布的不均勻特征將更為嚴(yán)重。為了解決大空間場所的聲場均勻覆蓋問題,基于多個揚聲器單元的陣列系統(tǒng)設(shè)計已成為大型場所擴聲系統(tǒng)的研發(fā)熱
點。近年來,許多學(xué)者及音響工程師都致力于揚聲器陣列系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā),期望通過對陣列的形狀、通道延時、通道幅度及相位等物理參數(shù)的調(diào)整,以改善陣列空間輻射聲場的分布特性——擴大陣列輻射聲場的覆蓋范圍并提高陣列輻射聲場分布的均勻化程度。為了改善揚聲器陣列在寬頻帶大空間范圍內(nèi)的聲場分布特性,許多設(shè)計方法和實現(xiàn)裝置已經(jīng)出現(xiàn)在文獻(xiàn)中,這些研究成果如下
文獻(xiàn) I-Klepper David L. , Steele Douglas ff. , “Constant Direction
Characteristics from a Line Source Array,,,J. A. E. S, Vol. 11, No. 3, pp. 198-202,July 1963.——提出了通過使用電學(xué)或聲學(xué)濾波器裝置,濾除掉部分揚聲器單元的高頻成份,以改善揚聲器陣列整體的空間輻射聲場特性。文獻(xiàn)2-van der Wal Menno, Start Evert ff. , de Vries Diemer, “Design of
Logarithmically Spaced Constant-Directivity Transducer Arrays, ” J. Audio Eng.Soc.,Vol. 44,pp. 497-507, June 1996.——提出按照對數(shù)間距布放揚聲器陣列的方法,以提高陣列空間輻射聲場的均勻程度。文獻(xiàn)3-Keele Jr. D. B. , “Effective Performance of Bessel Arrays, ”
J.A.E.S.,Vol. 38,No. 10,pp. 723-748,October 1990.-提出了按照 Bessel 函
數(shù)的數(shù)值大小來設(shè)置陣列各揚聲器單元的聲壓輻射強度,從而改善陣列輻射聲場的均勻特性。文獻(xiàn) 4-Jiang Chao, Shen Yong, “ An Omni-directivity Sound Source
Array, ” Mo. P2. 11, The 18th International Congress On Acoustics, Kyoto, Japan,April 2004.——提出按照sine函數(shù)的特性調(diào)整陣列各揚聲器單元的聲壓輻射強度,從而在提高聲場均勻程度的同時也改善了其相位特性。文獻(xiàn)5—沈勇,江超,徐小兵,張素珍,利用二次剩余序列設(shè)置揚聲器陣列的方法和裝置,專利申請?zhí)?00410044849. 5,授權(quán)公告號CN 100521817C?!岢隼枚问S嘈蛄械奶匦詠韮?yōu)化揚聲器陣列的空間輻射聲場,按照二次剩余序列的比例關(guān)系調(diào)整各揚聲器陣元通道的信號延時大小,以提高聲場均勻程度。
文獻(xiàn)6—沈勇,安康,歐達(dá)毅,利用二次剩余序列相位延遲設(shè)置揚聲器陣列的方法和裝置,專利申請?zhí)?00610096523. 6,授權(quán)公告號CN 1929696 B?!岢霭凑斩问S嘈蛄械谋壤P(guān)系來調(diào)整各揚聲器陣元通道的相位大小,以改善聲場均勻特性。文獻(xiàn)1-4所提出的基于改變陣列形狀或調(diào)整陣元通道幅度的這些方法,雖然都能夠改善聲場的均勻程度,但是這些方法的物理實現(xiàn)都較為復(fù)雜,聲重放系統(tǒng)的輻射效率較低,實用性差。文獻(xiàn)5所提出的基于二次剩余序列的通道延時控制方法,對陣列寬帶范圍的聲場有一定的改善作用,但是隨頻率變化時陣列的空間方向圖存在較為明顯的改變,在某些頻率點處輻射聲場存在著較嚴(yán)重的不均勻特性。文獻(xiàn)6所提出的基于二次剩余序列的通道相位延遲控制方法,較文獻(xiàn)5所述方法有一定的改進(jìn),減小了陣列隨頻率變化所引起的空間聲場變化程度,陣列在寬頻帶、大空間范圍內(nèi)的聲場均勻性得到了進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)6所提出的基于二次剩余序列調(diào)整通道相位延遲的方法,物理實現(xiàn)簡單,聲場均勻程度的改善較為明顯,但是這種僅利用一個與陣元數(shù)相等的特定二次剩余序列所設(shè)計出的陣列相位延遲矢量雖然達(dá)到了改善聲場的效果,但是并不是最優(yōu)的陣列相位延遲矢量。文獻(xiàn)6并沒有進(jìn)一步考慮通過擴大二次剩余序列的覆蓋范圍來優(yōu)化陣列相位延遲矢量的聲場改善效果,并沒有嘗試使用多組不同二次剩余序列的組合來提高二次序列對陣列聲場均勻特性的改善能力,因此并沒有將二次剩余序列對陣列聲場的改善作用完全發(fā)揮出 來,仍然可以通過多種二次剩余序列的組合特性來提高其對陣列聲場均勻特性的改善能力。針對現(xiàn)有基于單個特定二次剩余序列的相位延遲控制方法,在揚聲器陣列空間輻射聲場改善方面所存在的性能有限、優(yōu)化程度不足等問題,有待于研究通過擴大二次剩余序列的覆蓋范圍,借助多組不同二次剩余序列的組合來優(yōu)化設(shè)計陣列的相位延遲矢量,以提高陣列在寬頻帶、大空間范圍內(nèi)所輻射聲場的均勻程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法和裝置,以克服現(xiàn)有的基于單個特定二次剩余序列在陣列聲場改善方面所存在的性能有限、優(yōu)化程度不足等問題。為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,包括如下步驟
(1)多通道FFT變換;
(2)多通道多子帶均衡處理;
(3)多通道多子帶相位延遲處理;
(4)多通道IFFT變換;
(5)將多通道時域序列送至多通道功率放大器,以驅(qū)動揚聲器陣列產(chǎn)生均勻聲場。進(jìn)一步地,步驟I中多通道FFT變換,是指將聲源信號的數(shù)字序列按照指定的序列
長度4依次劃分成各數(shù)據(jù)巾貞矢量,其表達(dá)式如下 s^+1 = W 04 +1) + 2) ... s( 04 +Li)f ,
其中Svl代表第《0 +1個數(shù)據(jù)幀矢量, 0代表數(shù)據(jù)幀矢量的序列標(biāo)號;在完成數(shù)據(jù)幀的劃分后,對每個數(shù)據(jù)幀矢量按照指定的頻譜分析長度IT進(jìn)行多通道FFT (Fast Fourier
Transform--決速傅立葉變換)變換,生成對應(yīng)于陣列各子帶的頻譜序列矢量,其表達(dá)式
如下
權(quán)利要求
1.一種利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,包括如下步驟 (1)多通道FFT變換; (2)多通道多子帶均衡處理; (3)多通道多子帶相位延遲處理; (4)多通道IFFT變換; (5)將多通道時域序列送至多通道功率放大器,以驅(qū)動揚聲器陣列產(chǎn)生均勻聲場。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,其特征在于步驟I中所述的多通道FFT變換,是指將聲源信號的數(shù)字序列按照指定的序列長度矣依次劃分成各數(shù)據(jù)幀矢量,其表達(dá)式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,其特征在于步驟2中所述的多通道多子帶均衡處理,是指將經(jīng)多通道FFT變換獲得的陣列各子帶頻譜矢量,按照多通道均衡的參數(shù)估計器計算的陣列各子帶的均衡參數(shù)進(jìn)行均衡處理,所述多通道均衡的參數(shù)估計器的計算過程如下 a.利用脈沖響應(yīng)測量儀器測試出多個陣元通道的時域脈沖響應(yīng),在獲得這些脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,按照自回歸模型或者自回歸滑動平均模型對脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合,獲得各通道脈沖響應(yīng)的零極點模型; b.按照陣列所期望的頻域響應(yīng)特征,利用最小二乘等估計方法對陣列各通道的均衡器模型參數(shù)進(jìn)行估計,然后基于這些均衡器的參數(shù)估計結(jié)果計算出這些均衡器模型的頻譜數(shù)據(jù),并利用這些均衡器對應(yīng)于多個通道多個子帶的頻譜數(shù)據(jù)對陣列各子帶頻譜矢量進(jìn)行均衡處理,獲得均衡后的陣列頻譜矢量數(shù)據(jù),其表達(dá)式如下
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,其特征在于步驟3中所述的多通道多子帶相位延遲處理,其陣列各子帶最優(yōu)相位延遲矢量的估計過程如下 假設(shè)指定二次剩余序列的長度況要遠(yuǎn)大于陣元數(shù)“定義序列長度f的最小取值N齒>10x£,該序列由如下公式產(chǎn)生 Cx = 2 mod At , 其中為指定二次剩余序列的第w個元素、為序列長度,通常取為奇數(shù),mod表示取模; 將指定二次剩余序列按照陣元數(shù)“進(jìn)行切塊,產(chǎn)生多個二次剩余子序列,其具體實現(xiàn)如下 假設(shè)指定二次剩余序列的表達(dá)式為
5.通過分析比較方差估計矢量的各元素數(shù)值大小,找出方差估計值矢量中具有最小值的方差估計值索引號為略;),其所對應(yīng)的最小方差估計值為,這一最小方差估計值所對應(yīng)的施加于陣列的最優(yōu)相位延遲矢量為
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,其特征在于步驟4中所述的多通道IFFT變換,是將各通道經(jīng)均衡和相位延遲處理后的頻譜序列,按照指定的時域分析長度—進(jìn)行IFFT變換,獲得各通道經(jīng)均衡和延遲處理后的時域序列矢量為
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,其特征在于步驟5所述的功率放大器,為模擬功率放大器、PWM調(diào)制的D類功率放大器以及PDM調(diào)制的數(shù)字功率放大器三者之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法,其特征在于當(dāng)所述功率放大器為模擬功率放大器時,經(jīng)多通道IFFT變換后的數(shù)字序列需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理后轉(zhuǎn)換為模擬信號,然后將該模擬信號送至所述模擬功率放大器進(jìn)行功率放大后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲;當(dāng)所述功率放大器為PWM調(diào)制的D類功率放大器時,需將經(jīng)IFFT變換后的數(shù)字序列按照PWM調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為基于PWM調(diào)制的編碼信號,再將該編碼信號送到D類功率放大器進(jìn)行功率放大和低通濾波后,驅(qū)動揚聲器發(fā)聲;當(dāng)所述功率放大器為PDM調(diào)制的數(shù)字功率放大器時,需將經(jīng)IFFT變換后的數(shù)字序列按照PDM調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為基于PDM調(diào)制的編碼信號,然后將該編碼信號送至數(shù)字功率放大器進(jìn)行功率放大,最后用數(shù)字功率信號直接驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。
9.一種利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于它包括聲源(10)、用于對陣列各通道的時域數(shù)據(jù)幀進(jìn)行FFT變換以獲得陣列各通道的頻譜序列并與所述聲源(10)的輸出端相連接的多通道FFT變換器(11)、用于對陣列多個陣元通道的頻響起伏進(jìn)行平坦化處理同時對各陣元之間的頻響差異進(jìn)行校正處理的并與所述多通道FFT變換器(11)相連接的多通道多子帶均衡器(12)、用于計算陣列在各陣元通道和各子帶上的均衡器參數(shù)并將這些對應(yīng)于各陣元通道和各子帶的均衡器參數(shù)用于對陣列的寬帶頻響的平坦性和陣元之間頻響的差異性進(jìn)行處理且輸出端與所述多通道多子帶均衡器(12)的輸入端相連接的多通道均衡的參數(shù)估計器(13)、用于對陣列各子帶均衡后的頻譜矢量進(jìn)行最優(yōu)相位延遲處理并與所述多通道多子帶均衡器(12)相連接的多通道多子帶延遲器(14)、用于計算陣列在各陣元通道和各子帶上的最優(yōu)相位延遲矢量并將這些對應(yīng)于各陣元和各子帶的最優(yōu)相位延遲量用于陣列的相位延遲調(diào)整且輸出端與所述多通道多子帶延遲器(14)的輸入端相連接的最優(yōu)相位延遲估計器(15)、用于對均衡和延遲處理后的陣列頻譜矢量進(jìn)行IFFT變換處理并將陣列各通道經(jīng)均衡和延遲處理后的頻譜序列轉(zhuǎn)換為時域序列且與所述多通道多子帶延遲器(14)的輸出端相連接的多通道IFFT變換器(16)、用于對均衡和延遲調(diào)整后的多通道信號進(jìn)行功率放大并與所述多通道IFFT變換器(16)的輸出端相連接多通道功率放大器(17)、用于完成電聲轉(zhuǎn)換操作并將均衡和延遲調(diào)整后的電功率信號轉(zhuǎn)換為空氣振動信號且與所述多通道功率放大器(17)的輸出端相連接的揚聲器陣列(18),所述的聲源(10)是系統(tǒng)待重放的聲信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于所述的聲源(10),為模擬信號、數(shù)字編碼信號或無線發(fā)射裝置傳送來的廣播信號并通過無線接收器進(jìn)行接收和解調(diào)獲得用戶指定的聲源信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于所述多通道多子帶均衡器(12)的信號處理流程為陣列各通道的數(shù)據(jù)幀經(jīng)FFT變換生成對應(yīng)于各子帶的頻譜序列,所述多通道多子帶均衡器(12)將對這些頻譜序列按照其所在的通道和子帶序號并按照多通道均衡的參數(shù)估計器(13)所計算的相應(yīng)均衡器參數(shù)進(jìn)行所在通道和子帶的并行均衡處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于所述多通道均衡的參數(shù)估計器(13)計算陣列在各陣元通道和各子帶上的均衡器參數(shù)的流程如下多通道均衡的參數(shù)估計器(13)通過測量方式獲得陣列多個陣元通道的時域脈沖響應(yīng)信息,再通過自回歸或者自回歸滑動平均模型對測量響應(yīng)進(jìn)行建模擬合,獲得各通道脈沖響應(yīng)的零極點模型,最后按照期望的陣元通道頻響曲線,利用最小二乘等估計方法計算出各陣元通道和各子帶的均衡器參數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于所述的最優(yōu)相位延遲估計器(15),其信號處理流程如下 (I)首先,輸入指定的二次剩余序列的長度,按照設(shè)定的序列長度生成二次剩余序列,按照與陣元數(shù)相等的序列長度對指定二次剩余序列進(jìn)行分塊,產(chǎn)生二次剩余子序列,然后對二次剩余子序列依次進(jìn)行組合,生成多個組合序列,最后由多個組合序列分別生成相應(yīng)的多個相位延遲矢 量;另外,輸入用于聲場建模的已知參數(shù),包括陣元數(shù)、陣元間距、揚聲器口徑、離散化頻點矢量、陣元位置和觀察點位置,利用這些參數(shù)建立揚聲器陣列空間輻射聲場的計算模型; (2)依次在每個頻點處利用多個相位延遲矢量分別控制陣列延遲,計算出每個延遲矢量控制時陣列在觀察區(qū)域的聲壓幅度矢量,接著依次在每個頻率點處分別計算多個相位延遲矢量控制時陣列在觀察區(qū)域聲壓幅度矢量的方差估計值序列; (3)在每個頻率點處搜素方差估計值序列的最小值,并記錄最小值所對應(yīng)的序列索引號,然后利用每個頻率點搜索所獲得的序列索引號計算出用于寬帶聲場均勻化控制的對應(yīng)于陣列各頻率點的最優(yōu)相位延遲矢量。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于所述多通道多子帶延遲器(14)的信號處理流程為多通道多子帶延遲器(14)將按照最優(yōu)相位延遲估計器(15)所計算出的對應(yīng)于陣列各子帶的相位延遲矢量,對經(jīng)均衡處理后的各陣元和各子帶的頻譜序列進(jìn)行相位延遲操作,從而提高了陣列輻射聲場的均勻化程度。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于所述的多通道功率放大器(17)為模擬功率放大器、PWM調(diào)制的D類功率放大器以及PDM調(diào)制的數(shù)字功率放大器三者之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制裝置,其特征在于當(dāng)所述多通道功率放大器(17)為模擬功率放大器時,經(jīng)多通道IFFT變換后的數(shù)字序列需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理后轉(zhuǎn)換為模擬信號,然后將該模擬信號送至所述模擬功率放大器進(jìn)行功率放大后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲;當(dāng)所述多通道功率放大器(17)為PWM調(diào)制的D類功率放大器時,需將經(jīng)IFFT變換后的數(shù)字序列按照PWM調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為基于PWM調(diào)制的編碼信號,再將該編碼信號送到D類功率放大器進(jìn)行功率放大和低通濾波后,驅(qū)動揚聲器發(fā)聲;當(dāng)所述多通道功率放大器(17)為PDM調(diào)制的數(shù)字功率放大器時,需將經(jīng)IFFT變換后的數(shù)字序列按照PDM調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為基于PDM調(diào)制的編碼信號,然后將該編碼信號送至數(shù)字功率放大器進(jìn)行功率放大,最后用數(shù)字功率信號直接驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用二次剩余序列的揚聲器陣列寬帶聲場控制方法和裝置。該方法包括多通道FFT變換;多通道多子帶均衡處理;多通道多子帶相位延遲處理;多通道IFFT變換;將多通道時域序列送至多通道功率放大器,以驅(qū)動揚聲器陣列產(chǎn)生均勻聲場。該裝置包括聲源、多通道FFT變換器、多通道多子帶均衡器、多通道均衡的參數(shù)估計器、多通道多子帶相位延遲器、最優(yōu)相位延遲估計器、多通道IFFT變換器、多通道功率放大器、揚聲器陣列;各單元依次順序連接。本發(fā)明能夠有效擴展寬帶陣列空間輻射聲場的覆蓋范圍,提高寬帶陣列空間輻射聲場的均勻程度,滿足了寬帶陣列擴聲系統(tǒng)對聲場空間分布品質(zhì)的要求。
文檔編號H04R1/20GK102711010SQ201210169789
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月29日
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