專利名稱：基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列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(yáng)聲器陣列聲場控制方法和裝置，特別涉及一種基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列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(jī)場等大空間視聽場所，傳統(tǒng)的基于多個揚(yáng)聲器分離放置的聲重放系統(tǒng)，由于多個揚(yáng)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(yáng)聲器所疊加聲場在空間上出現(xiàn)較多的峰谷點(diǎn)，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(yáng)聲器單元的陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為大型場所擴(kuò)聲系統(tǒng)的研發(fā)熱 點(diǎn)。近年來，許多學(xué)者及音響工程師都致力于揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(kuò)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(yáng)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(jì)方法和實(shí)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(yáng)聲器單元的高頻成份，以改善揚(yáng)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(yáng)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(yáng)聲器單元的聲壓輻射強(qiáng)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(yáng)聲器單元的聲壓輻射強(qiáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(shí)現(xiàn)都較為復(fù)雜，聲重放系統(tǒng)的輻射效率較低，實(shí)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(diǎn)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(shí)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(jì)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(kuò)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(yáng)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(kuò)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(jì)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)明的目的是克服現(xiàn)有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，提出了一種基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法和裝置。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，包括如下步驟
(1)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；
(2)利用這些子序列設(shè)計(jì)出最優(yōu)的陣列相位延遲矢量；
(3)按照最優(yōu)的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進(jìn)行相位延遲調(diào)整；
(4)將延遲調(diào)整后的多通道信號送至多通道功率放大器，以驅(qū)動揚(yáng)聲器陣列產(chǎn)生均勻聲場。進(jìn)一步地，步驟I中指定二次剩余序列，該序列由如下公式產(chǎn)生 cN - n 2 mod AT ，
其中cn為指定二次剩余序列的第n個元素，N為序列長度，mod表示取模。更進(jìn)一步地，步驟I中指定二次剩余序列，其序列長度N大于陣元數(shù)L，序列長度N的最小取值Nmin大于10XL。進(jìn)一步地，步驟I中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(shí)現(xiàn)流程如下
設(shè)指定的二次剩余序列表達(dá)式為
cM ~ [crI C2 CmT >
按照陣元數(shù)L對二次剩余序列4進(jìn)行切塊，生成M(N>MXL)個子序列，經(jīng)序列分割后，序列％可以由二次剩余子序列表示為
.—J.lf r(2ff
"Li -I " cI ，
其中為序列分割后產(chǎn)生的第i個二次剩余子序列，可以表示為
(j) r (!) ⑴(ij
cL = b(2-l)Z+l C{i-l)Z+2 …Cii-l)￡+￡ I，
更進(jìn)一步地，步驟2中利用這些子序列設(shè)計(jì)出最優(yōu)的陣列相位延遲矢量，其具體實(shí)現(xiàn)流程如下
由第i個長度為L的二次剩余子序列構(gòu)造用于陣元數(shù)為L的陣列相位延遲控制矢量#為
其中為對應(yīng)于第I個陣元的相位延遲量，其表達(dá)式為
￠1 5 = C(Z-I)L-U X 為，
其中_為相位延遲常量，其表達(dá)式為
爲(wèi)=2n/N ;
將由多個二次剩余子序列構(gòu)造的陣列相位延遲矢量進(jìn)行組合，假設(shè)按照二次剩余子序列的序號i由41〗、42>、…、組合形成的二次剩余序列的組合序列為,其表達(dá)式為 4uj}=l4” 425 4"!J
其中I彡K彡M，由二次剩余序列的組合序列構(gòu)造的陣列相位延遲矢量為 …&,其表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，包括如下步驟 (1)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； (2)利用這些子序列設(shè)計(jì)出最優(yōu)的陣列相位延遲矢量； (3)按照最優(yōu)的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進(jìn)行相位延遲調(diào)整； (4)將延遲調(diào)整后的多通道信號送至多通道功率放大器，以驅(qū)動揚(yáng)聲器陣列產(chǎn)生均勻聲場。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟I中所述的指定二次剩余序列，該序列由如下公式產(chǎn)生
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟I中所述的指定二次剩余序列，其序列長度N大于陣元數(shù)L，序列長度N的最小取值Nmin大于10XL。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟I中所述的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(shí)現(xiàn)流程如下 設(shè)指定的二次剩余序列表達(dá)式為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟2中所述的利用這些子序列設(shè)計(jì)出最優(yōu)的陣列相位延遲矢量，其具體實(shí)現(xiàn)流程如下 由第i個長度為L的二次剩余子序列
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟3中所述的按照最優(yōu)的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進(jìn)行相位延遲調(diào)整，在DSP或者FPGA等數(shù)字信號處理器內(nèi)部按照最優(yōu)的相位延遲矢量的數(shù)值，利用數(shù)字相位延遲方法實(shí)現(xiàn)對多陣元通道的相位延遲調(diào)整。
7.一種基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于它包括聲源(I)、與所述最優(yōu)相位延遲控制器3的輸入端相連接的用于計(jì)算陣列在寬頻帶大空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻聲場控制的最優(yōu)相位延遲矢量的最優(yōu)相位延遲估計(jì)器(2)、分別與所述聲源(I)和最優(yōu)相位延遲估計(jì)器(2)的輸出端相連接的用于將所述最優(yōu)相位延遲估計(jì)器(2)所計(jì)算的最優(yōu)相位延遲矢量加載到揚(yáng)聲器陣列的各陣元通道上并按照最優(yōu)相位延遲矢量調(diào)整各陣元通道的相位延遲量的最優(yōu)相位延遲控制器(3)、與所述最優(yōu)相位延遲控制器(3)的輸出端相連接的用于對相位延遲調(diào)整后的多通道信號進(jìn)行功率放大以實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動揚(yáng)聲器陣列的驅(qū)動的多通道功率放大器(4)、與所述多通道功率放大器(4)的輸出端相連接的用于將相位延遲調(diào)整后的電功率信號轉(zhuǎn)換為空氣振動信號以達(dá)到改善陣列輻射聲場均勻程度的效果的揚(yáng)聲器陣列(5 ),所述的聲源(I)為系統(tǒng)待重放的聲信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的聲源(I)為各種模擬裝置所產(chǎn)生的模擬音源信號、各種數(shù)字裝置所產(chǎn)生的數(shù)字編碼信號、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中的一種或幾種的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的最優(yōu)相位延遲估計(jì)器(2)，使用陣列建模和最小值搜索的方法的信號處理流程如下 (O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；輸入用于聲場建模的已知參數(shù)陣元數(shù)、陣元間距、揚(yáng)聲器口徑、離散化頻點(diǎn)矢量、陣元位置、觀察點(diǎn)位置，利用這些參數(shù)建立揚(yáng)聲器陣列空間輻射聲場的計(jì)算模型； (2)依次在每個頻點(diǎn)處利用多個相位延遲矢量分別控制陣列延遲，計(jì)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(diǎn)處分別計(jì)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(jì)值序列； (3)在每個頻率點(diǎn)處搜素方差估計(jì)值序列的最小值，并記錄最小值所對應(yīng)的序列索引號，然后將所有頻率點(diǎn)搜索所得到的各索引號進(jìn)行平均和取整操作，獲得索引號的平均值，利用索引號的平均值計(jì)算出用于寬帶聲場均勻化控制的最優(yōu)相位延遲矢量。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的最優(yōu)相位延遲估計(jì)器(2)，按照方差序列最小值所處的經(jīng)驗(yàn)性區(qū)域范圍來確定索引號的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的最優(yōu)相位延遲控制器(3)，根據(jù)有限脈沖響應(yīng)濾波器的線性相位特性，通過設(shè)計(jì)合適的濾波器系數(shù)，實(shí)現(xiàn)陣列多通道寬帶信號的相位延遲操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的多通道功率放大器(4)，為多通道的AB類或者D類功率放大器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于二次剩余序列組合的揚(yáng)聲器陣列聲場控制方法和裝置。該方法包括(1)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；(2)利用這些子序列設(shè)計(jì)出最優(yōu)的陣列相位延遲矢量；(3)按照最優(yōu)的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進(jìn)行相位延遲調(diào)整；(4)將延遲調(diào)整后的多通道信號送至多通道功率放大器，以驅(qū)動揚(yáng)聲器陣列產(chǎn)生均勻聲場。該裝置包括聲源、最優(yōu)相位延遲估計(jì)器、最優(yōu)相位延遲控制器、多通道功率放大器、揚(yáng)聲器陣列。本發(fā)明能夠有效擴(kuò)展陣列空間輻射聲場的覆蓋范圍，提高陣列空間輻射聲場的均勻程度，且聲場控制方法的硬件實(shí)現(xiàn)簡單，滿足了陣列擴(kuò)聲系統(tǒng)對聲場空間分布品質(zhì)的要求。
文檔編號H04R1/40GK102711015SQ20121016995
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
發(fā)明者馬登永 申請人:蘇州上聲電子有限公司