一種準自適應聲學均衡方法與裝置的製作方法

2023-04-24 17:39:51

專利名稱：一種準自適應聲學均衡方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及自適應聲學均衡方法與均衡裝置，根據分頻網絡、自適應數字濾波器的設計和DSP算法模塊的實現，可廣泛應用於房間中的揚聲器系統。
背景技術：
傳統分頻網絡的理論方面已經研究的非常透徹，但在除消聲室之外的實際聽音環境中，例如普通房間內，採用傳統分頻網絡的揚聲器系統的實際表現卻往往和理論預測偏差很大，這是由於實際房間和揚聲器系統之間產生了相互作用，而這種相互作用，或者叫做房間效應常常會使實際聽音效果變差，比較常見的重放聲壓級頻響曲線出現波動、低頻模態混響時間過長和分頻點頻率附近區域的峰谷等三大類問題。針對房間效應引起的這三大類問題，人們提出了一些解決方案
A.R.Groh,"High-Fidelity Sound System Equalization by Analysis of Standing Waves, 」 [J] J. Audio Eng. Soc.，vol. 22，pp. 795-799(1974 Dec.)可在聽音位置固定的情況下，通過調整揚聲器系統的擺放位置，使其移向某些模態駐波的波腹或波節，來調整聽音位置接收到的聲壓大小。
K. D. Farnsworth, P. A. Nelson，and S. J. Elliott，"Equalization of Room Acoustic Response over Spatially Distributed Regions，，，[C]Proc. Inst. Acoust. (1985)在聽音位置以及聲源位置均固定的情況下，通過在分頻網絡端級聯一個自適應數字濾波器，實現單點或多點聽音位置上接收到的聲信號幅頻響應平直的優化目標
J. Mourjopoulos, "Digital Equalization Methods for Audio Systems, " [C] presented at the 84th Convention of the Audio Engineering Society,J. Audio Eng. Soc.，vol.36, p. 384(1988 May)提出「有源」吸聲的概念，即應用數字濾波理論，通過在輸入電信號通道額外附加一種模態均衡器(mode equalizer)的方法，可以對接收到的共振頻率很低的房間模態的衰減速度或混響時間加以控制，達到低頻和中高頻混響時間平衡的目的，並用實驗證明了這一方法的可靠性。
S. J. Elliot, P.A. Nelson,"Multiple-Point Equalization in a Room Using Adaptive Digital Filters, "[J] J. Audio Eng. Soc. ,vol. 37, pp. 899-907 (1989Nov.)可通過在分頻網絡高通通道級聯一系列二階全通網絡或額外引入延時的方法，改變高低通兩通道間的相位差，從而改善揚聲器系統的聲壓級頻率響應曲線在分頻區域的平直性。
上述方法只是解決了某一方面(室內聲學或電聲學)的問題，改善的頻段也很局限(低頻段、分頻點附近頻段或全頻段)，不夠全面，效果也是差強人意，缺乏一個統一的有效的方法。發明內容
本發明的目的是提出一種準自適應聲學均衡方法與裝置，在已有的關於分頻網絡的研究基礎上，將室內聲學中的有源吸聲方法和電聲學中的相位均衡方法以及幅度均衡方法結合起來，提出新的對已有分頻網絡的改善方法，自動調整揚聲器系統在實際房間內的聲壓級頻響曲線，使之在全頻帶變得平直，並且控制低頻模態處的混響時間，從而提高理論預測房間中揚聲器系統性能的準確度，主觀上可提高信號的清晰度和平滑度，使之更加平衡、自然。
本發明的目的是這樣實現的一種準自適應聲學均衡方法，使用自適應數字濾波器和相應DSP算法模塊來實現的對聲源信號的變化自適應地對整個聲頻通帶進行處理，將模態均衡、相位均衡和幅度均衡結合在一起的準自適應聲學總體均衡器對整個聲頻通帶進行處理；採用自適應數字濾波器和DSP算法模塊，先對分頻網絡的低通通道進行低頻段模態均衡，然後在高通通道對分頻點附近區域上的高低通聲信號疊加進行相位均衡，隨後對整個頻段、主要為高頻段進行幅度均衡，從而實現對整個聲頻通帶的全面優化處理；所述低通通道一般指小於200Hz的頻率通道，高通通道指大於1000Hz的頻率通道；總體均衡由測量麥克風和若干DSP算法模塊分別構成為模態均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp(Z)以及幅度均衡器Hm(ζ)模塊實現並作用於揚聲器系統，三模塊皆用參數可調的數字濾波器實現；
採用自適應數字濾波器和DSP算法模塊，先對分頻網絡的低通通道進行低頻段模態均衡(進行有源吸聲)，然後在高通通道對分頻點附近區域上的高低通聲信號疊加進行相位均衡，隨後對整個頻段(主要為高頻段)進行幅度均衡，從而實現對整個聲頻通帶的全面優化處理。
本發明有益效果是通過總體均衡自動調整揚聲器系統在實際房間內的聲壓級頻響曲線，將室內聲學中的有源吸聲方法和電聲學中的相位均衡方法以及幅度均衡方法結合起來，控制低頻模態處的混響時間，從而提高房間中揚聲器系統性能的準確度，提高信號的清晰度和平滑度，使之更加平衡、自然。可隨著節目信號的變化自適應地對揚聲器系統整個聲頻通帶進行優化處理，普適性強，在試聽室、汽車內部等包含揚聲器系統的有界空間中均可使用，成本低廉，效果顯著。


圖1是本發明所採用的準自適應總體均衡系統設計方框圖。
圖2根據本發明，在分頻網絡的低通通道附加模態均衡器，高通通道附加相位均衡器，整體附加幅度均衡器之後，在實際房間中2. 1聲道揚聲器系統的聲壓級頻率響應曲線。
具體實施方法
下面說明本發明的具體實現方法。
此總體均衡器由一個測量麥克風和若干DSP算法模塊組成，其核心模塊為模態均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp(Z)以及幅度均衡器Hm(Z)，三者皆用參數可調的數字濾波器實現。三個均衡器作用於揚聲器系統。
在實際使用時，首先將三個均衡器初始化，使其傳遞函數皆為1。三路條件選擇開關均處於關閉狀態。將測量麥克風放在房間中所要均衡的聽音位置處，揚聲器系統產生一個隨機信號或掃頻信號Χ [η]，經幅度均衡器Hm (Z)後，同時饋入含模態均衡器H。(Z)的分頻網絡低通通道和含相位均衡器Hp (ζ)的高通通道，並相應做DA轉換。轉換後的高低通兩路模擬信號送入揚聲器系統，測量傳聲器接收到的聲信號分為三路，分別用於確定三種均衡器的參數。
第一路聲信號先經過低通濾波，取其200Hz以下的低頻成分，AD轉換後可計算出揚聲器系統與房間構成的總系統的衝激響應，計算出在此低頻段，需要均衡的房間模態的各項參數(例如模態頻率、模態混響時間等)，並同時計算出模態均衡後混響時間的目標值，將其存入寄存器中。將實測模態的混響時間與寄存器中目標值的差值作為誤差信號，送入條件選擇開關1中。此條件選擇開關的作用為判斷輸入誤差信號的大小，若誤差較大，超過某限定值，則將誤差信號送入模態均衡器H。(ζ)，幫助其調整參數，以得到新的誤差信號。 直到誤差信號的大小達到某限定值以下，便認為已達到模態均衡的目標，條件選擇開關1 就關閉其與模態均衡器H。(ζ)之間的通道，使模態均衡器H。(ζ)的參數固定不變，並激活條件選擇開關2。
第二路聲信號先經過一個帶通濾波器，通帶選擇為分頻點頻率附近的頻域。AD轉換後，可計算聲信號在此頻段的幅值波動方差，並和寄存器中的方差目標值進行比對，形成誤差信號。此誤差信號也控制著條件選擇開關2，只有當誤差信號大於某限定值時，條件選擇開關2才會將其送往相位均衡器Hp (ζ)，幫助其更改參數；當誤差信號大小低於限定值時，認為相位均衡的目標已達成，條件選擇開關2關閉其與相位均衡器Hp(ζ)之間的通道， 使Hp (ζ)的參數固定不變，並激活條件選擇開關3。
為實現幅度均衡，使用一個預設好參數的濾波器D(Z)，使輸入電信號x[n]通過此濾波器後，產生想達到的揚聲器系統的響應，對應著平直的聲壓級頻率響應曲線。第三路聲信號經過一個防止混疊失真的低通濾波器，經AD轉換後，直接與x[n]經D(z)濾波後的理想信號比對，產生的誤差信號送入條件選擇開關3。在誤差值大於限定值時，條件選擇開關 3將其送入幅度均衡器Hm(Z)，幫助其更改參數；直到誤差值小於限定值後，條件選擇開關3 關閉其與幅度均衡器Hm(ζ)之間的通道，使禮(2)的參數固定不變，並關閉x[n]的信號產生通道。
至此，所需的模態均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp (ζ)以及幅度均衡器Hm(ζ)的參數均以自動調整至最優化值，用戶可將x[n]換為想聽的音頻信號。
之所以叫準自適應總體均衡器，因為此系統在使用時需先用穩態噪聲或掃頻信號處理一段時間，待均衡器參數固定後，才可以輸入普通多媒體音頻信號進行聽音，這是由於普通多媒體音頻信號在不同時刻的頻譜未知，無法即時計算均衡器的參數。
權利要求
1.一種準自適應聲學均衡方法，其特徵是使用自適應數字濾波器和相應DSP算法模塊來實現的對聲源信號的變化自適應地對整個聲頻通帶進行處理，將模態均衡、相位均衡和幅度均衡結合在一起的準自適應聲學總體均衡器對整個聲頻通帶進行處理；採用自適應數字濾波器和DSP算法模塊，先對分頻網絡的低通通道進行低頻段模態均衡，然後在高通通道對分頻點附近區域上的高低通聲信號疊加進行相位均衡，隨後對整個頻段、主要為高頻段進行幅度均衡，從而實現對整個聲頻通帶的全面優化處理；所述低通通道一般指小於 200Hz的頻率通道，高通通道指大於1000Hz的頻率通道；總體均衡由測量麥克風和若干DSP 算法模塊分別構成為模態均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp (ζ)以及幅度均衡器Hm (ζ)模塊實現並作用於揚聲器系統，三模塊皆用參數可調的數字濾波器實現。
2.如權利要求1所述準自適應聲學均衡方法，其特徵是包含有模態均衡、相位均衡和幅度均衡三項功能中一種、兩種或三種的聲學均衡器。
3.如權利要求1所述準自適應聲學均衡方法，其特徵是在實際使用時，首先將三個均衡器初始化，使其傳遞函數皆為1 ；三個模塊的選擇開關均處於關閉狀態；將測量麥克風放在房間中所要均衡的聽音位置處，揚聲器系統產生一個隨機信號或掃頻信號x[n]，經幅度均衡器Hm(ζ)後，同時饋入含模態均衡器H。(ζ)的分頻網絡低通通道和含相位均衡器Hp(Z) 的高通通道，並相應做DA轉換；轉換後的高低通兩路模擬信號送入揚聲器系統，測量傳聲器接收到的聲信號分為三路，分別用於確定三種均衡器的參數。第一路聲信號先經過低通濾波，取其200Hz以下的低頻成分，AD轉換後可計算出揚聲器系統與房間構成的總系統的衝激響應，計算出在此低頻段進行模態均衡，需要均衡的房間模態的包括模態頻率、模態混響時間的各項參數，並同時計算出模態均衡後混響時間的目標值，將其存入設有的寄存器中；將實測房間模態的混響時間與寄存器中目標值的差值作為誤差信號，送入條件選擇開關1中；此條件選擇開關的作用為判斷輸入誤差信號的大小，若誤差較大，超過某限定值， 則將誤差信號送入模態均衡器H。(ζ)，幫助模態均衡器H。(ζ)調整參數，以得到新的誤差信號；直到誤差信號的大小達到某限定值以下，便認為已達到模態均衡的目標，條件選擇開關 1就關閉其與模態均衡器H。(ζ)之間的通道，使模態均衡器H。(ζ)的參數固定不變，並激活條件選擇開關2 ；開關1、2、3分別對應著開通模態均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp (ζ)以及幅度均衡器禮(2) 模塊的開關；第二路聲信號先經過一個帶通濾波器，通帶選擇為分頻點頻率附近的頻域;AD轉換後，計算聲信號在此頻段的幅值波動方差，並和寄存器中的方差目標值進行比對，形成誤差信號；當誤差信號大於某限定值時，條件選擇開關2才會將其送往相位均衡器Hp(ζ)，幫助其更改參數；當誤差信號大小低於限定值時，認為相位均衡的目標已達成，條件選擇開關2 關閉其與相位均衡器Hp (ζ)之間的通道，使扎(2)的參數固定不變，並激活條件選擇開關3 ；為實現幅度均衡，使用一個預設好參數的濾波器D(Z)，使輸入電信號χ[η]通過此濾波器後，對應著平直的聲壓級頻率響應曲線；第三路聲信號經過一個防止混疊失真的低通濾波器，經AD轉換後，直接與χ[η]經D(z)濾波後的理想信號比對，產生的誤差信號送入條件選擇開關3 ；在誤差值大於限定值時，條件選擇開關3將其送入幅度均衡器Hm(Z)，幫助其更改參數；直到誤差值小於限定值後，條件選擇開關3關閉其與幅度均衡器Hm(ζ)之間的通道，使Hm(Z)的參數固定不變，並關閉x[n]的信號產生通道。
全文摘要
一種準自適應聲學均衡方法，使用自適應數字濾波器和相應DSP算法模塊來實現的對聲源信號的變化自適應地對整個聲頻通帶進行處理，將模態均衡、相位均衡和幅度均衡結合在一起的準自適應聲學總體均衡器對整個聲頻通帶進行處理；先對分頻網絡的低通通道進行低頻段模態均衡，然後在高通通道對分頻點附近區域上的高低通聲信號疊加進行相位均衡，隨後對整個頻段、為高頻段進行幅度均衡，從而實現對整個聲頻通帶的全面優化處理；總體均衡由測量麥克風和若干DSP算法模塊分別構成為模態均衡器、相位均衡器以及幅度均衡器模塊實現並作用於揚聲器系統，三模塊皆用參數可調的數字濾波器實現，最後即可得到所需的音頻信號。
文檔編號H04R1/20GK102523542SQ20111041723
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者沈勇, 沈小祥 申請人:南京琅聲聲學科技有限公司