专利名称：一种准自适应声学均衡方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自适应声学均衡方法与均衡装置，根据分频网络、自适应数字滤波器的设计和DSP算法模块的实现，可广泛应用于房间中的扬声器系统。
背景技术：
传统分频网络的理论方面已经研究的非常透彻，但在除消声室之外的实际听音环境中，例如普通房间内，采用传统分频网络的扬声器系统的实际表现却往往和理论预测偏差很大，这是由于实际房间和扬声器系统之间产生了相互作用，而这种相互作用，或者叫做房间效应常常会使实际听音效果变差，比较常见的重放声压级频响曲线出现波动、低频模态混响时间过长和分频点频率附近区域的峰谷等三大类问题。针对房间效应引起的这三大类问题，人们提出了一些解决方案
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.)可在听音位置固定的情况下，通过调整扬声器系统的摆放位置，使其移向某些模态驻波的波腹或波节，来调整听音位置接收到的声压大小。
K. D. Farnsworth, P. A. Nelson，and S. J. Elliott，"Equalization of Room Acoustic Response over Spatially Distributed Regions，，，[C]Proc. Inst. Acoust. (1985)在听音位置以及声源位置均固定的情况下，通过在分频网络端级联一个自适应数字滤波器，实现单点或多点听音位置上接收到的声信号幅频响应平直的优化目标
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”吸声的概念，即应用数字滤波理论，通过在输入电信号通道额外附加一种模态均衡器(mode equalizer)的方法，可以对接收到的共振频率很低的房间模态的衰减速度或混响时间加以控制，达到低频和中高频混响时间平衡的目的，并用实验证明了这一方法的可靠性。
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.)可通过在分频网络高通通道级联一系列二阶全通网络或额外引入延时的方法，改变高低通两通道间的相位差，从而改善扬声器系统的声压级频率响应曲线在分频区域的平直性。
上述方法只是解决了某一方面(室内声学或电声学)的问题，改善的频段也很局限(低频段、分频点附近频段或全频段)，不够全面，效果也是差强人意，缺乏一个统一的有效的方法。发明内容
本发明的目的是提出一种准自适应声学均衡方法与装置，在已有的关于分频网络的研究基础上，将室内声学中的有源吸声方法和电声学中的相位均衡方法以及幅度均衡方法结合起来，提出新的对已有分频网络的改善方法，自动调整扬声器系统在实际房间内的声压级频响曲线，使之在全频带变得平直，并且控制低频模态处的混响时间，从而提高理论预测房间中扬声器系统性能的准确度，主观上可提高信号的清晰度和平滑度，使之更加平衡、自然。
本发明的目的是这样实现的一种准自适应声学均衡方法，使用自适应数字滤波器和相应DSP算法模块来实现的对声源信号的变化自适应地对整个声频通带进行处理，将模态均衡、相位均衡和幅度均衡结合在一起的准自适应声学总体均衡器对整个声频通带进行处理；采用自适应数字滤波器和DSP算法模块，先对分频网络的低通通道进行低频段模态均衡，然后在高通通道对分频点附近区域上的高低通声信号叠加进行相位均衡，随后对整个频段、主要为高频段进行幅度均衡，从而实现对整个声频通带的全面优化处理；所述低通通道一般指小于200Hz的频率通道，高通通道指大于1000Hz的频率通道；总体均衡由测量麦克风和若干DSP算法模块分别构成为模态均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp(Z)以及幅度均衡器Hm(ζ)模块实现并作用于扬声器系统，三模块皆用参数可调的数字滤波器实现；
采用自适应数字滤波器和DSP算法模块，先对分频网络的低通通道进行低频段模态均衡(进行有源吸声)，然后在高通通道对分频点附近区域上的高低通声信号叠加进行相位均衡，随后对整个频段(主要为高频段)进行幅度均衡，从而实现对整个声频通带的全面优化处理。
本发明有益效果是通过总体均衡自动调整扬声器系统在实际房间内的声压级频响曲线，将室内声学中的有源吸声方法和电声学中的相位均衡方法以及幅度均衡方法结合起来，控制低频模态处的混响时间，从而提高房间中扬声器系统性能的准确度，提高信号的清晰度和平滑度，使之更加平衡、自然。可随着节目信号的变化自适应地对扬声器系统整个声频通带进行优化处理，普适性强，在试听室、汽车内部等包含扬声器系统的有界空间中均可使用，成本低廉，效果显著。
图1是本发明所采用的准自适应总体均衡系统设计方框图。
图2根据本发明，在分频网络的低通通道附加模态均衡器，高通通道附加相位均衡器，整体附加幅度均衡器之后，在实际房间中2. 1声道扬声器系统的声压级频率响应曲线。
具体实施方法
下面说明本发明的具体实现方法。
此总体均衡器由一个测量麦克风和若干DSP算法模块组成，其核心模块为模态均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp(Z)以及幅度均衡器Hm(Z)，三者皆用参数可调的数字滤波器实现。三个均衡器作用于扬声器系统。
在实际使用时，首先将三个均衡器初始化，使其传递函数皆为1。三路条件选择开关均处于关闭状态。将测量麦克风放在房间中所要均衡的听音位置处，扬声器系统产生一个随机信号或扫频信号Χ [η]，经幅度均衡器Hm (Z)后，同时馈入含模态均衡器H。(Z)的分频网络低通通道和含相位均衡器Hp (ζ)的高通通道，并相应做DA转换。转换后的高低通两路模拟信号送入扬声器系统，测量传声器接收到的声信号分为三路，分别用于确定三种均衡器的参数。
第一路声信号先经过低通滤波，取其200Hz以下的低频成分，AD转换后可计算出扬声器系统与房间构成的总系统的冲激响应，计算出在此低频段，需要均衡的房间模态的各项参数(例如模态频率、模态混响时间等)，并同时计算出模态均衡后混响时间的目标值，将其存入寄存器中。将实测模态的混响时间与寄存器中目标值的差值作为误差信号，送入条件选择开关1中。此条件选择开关的作用为判断输入误差信号的大小，若误差较大，超过某限定值，则将误差信号送入模态均衡器H。(ζ)，帮助其调整参数，以得到新的误差信号。 直到误差信号的大小达到某限定值以下，便认为已达到模态均衡的目标，条件选择开关1 就关闭其与模态均衡器H。(ζ)之间的通道，使模态均衡器H。(ζ)的参数固定不变，并激活条件选择开关2。
第二路声信号先经过一个带通滤波器，通带选择为分频点频率附近的频域。AD转换后，可计算声信号在此频段的幅值波动方差，并和寄存器中的方差目标值进行比对，形成误差信号。此误差信号也控制着条件选择开关2，只有当误差信号大于某限定值时，条件选择开关2才会将其送往相位均衡器Hp (ζ)，帮助其更改参数；当误差信号大小低于限定值时，认为相位均衡的目标已达成，条件选择开关2关闭其与相位均衡器Hp(ζ)之间的通道， 使Hp (ζ)的参数固定不变，并激活条件选择开关3。
为实现幅度均衡，使用一个预设好参数的滤波器D(Z)，使输入电信号x[n]通过此滤波器后，产生想达到的扬声器系统的响应，对应着平直的声压级频率响应曲线。第三路声信号经过一个防止混叠失真的低通滤波器，经AD转换后，直接与x[n]经D(z)滤波后的理想信号比对，产生的误差信号送入条件选择开关3。在误差值大于限定值时，条件选择开关 3将其送入幅度均衡器Hm(Z)，帮助其更改参数；直到误差值小于限定值后，条件选择开关3 关闭其与幅度均衡器Hm(ζ)之间的通道，使礼(2)的参数固定不变，并关闭x[n]的信号产生通道。
至此，所需的模态均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp (ζ)以及幅度均衡器Hm(ζ)的参数均以自动调整至最优化值，用户可将x[n]换为想听的音频信号。
之所以叫准自适应总体均衡器，因为此系统在使用时需先用稳态噪声或扫频信号处理一段时间，待均衡器参数固定后，才可以输入普通多媒体音频信号进行听音，这是由于普通多媒体音频信号在不同时刻的频谱未知，无法即时计算均衡器的参数。
权利要求
1.一种准自适应声学均衡方法，其特征是使用自适应数字滤波器和相应DSP算法模块来实现的对声源信号的变化自适应地对整个声频通带进行处理，将模态均衡、相位均衡和幅度均衡结合在一起的准自适应声学总体均衡器对整个声频通带进行处理；采用自适应数字滤波器和DSP算法模块，先对分频网络的低通通道进行低频段模态均衡，然后在高通通道对分频点附近区域上的高低通声信号叠加进行相位均衡，随后对整个频段、主要为高频段进行幅度均衡，从而实现对整个声频通带的全面优化处理；所述低通通道一般指小于 200Hz的频率通道，高通通道指大于1000Hz的频率通道；总体均衡由测量麦克风和若干DSP 算法模块分别构成为模态均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp (ζ)以及幅度均衡器Hm (ζ)模块实现并作用于扬声器系统，三模块皆用参数可调的数字滤波器实现。
2.如权利要求1所述准自适应声学均衡方法，其特征是包含有模态均衡、相位均衡和幅度均衡三项功能中一种、两种或三种的声学均衡器。
3.如权利要求1所述准自适应声学均衡方法，其特征是在实际使用时，首先将三个均衡器初始化，使其传递函数皆为1 ；三个模块的选择开关均处于关闭状态；将测量麦克风放在房间中所要均衡的听音位置处，扬声器系统产生一个随机信号或扫频信号x[n]，经幅度均衡器Hm(ζ)后，同时馈入含模态均衡器H。(ζ)的分频网络低通通道和含相位均衡器Hp(Z) 的高通通道，并相应做DA转换；转换后的高低通两路模拟信号送入扬声器系统，测量传声器接收到的声信号分为三路，分别用于确定三种均衡器的参数。第一路声信号先经过低通滤波，取其200Hz以下的低频成分，AD转换后可计算出扬声器系统与房间构成的总系统的冲激响应，计算出在此低频段进行模态均衡，需要均衡的房间模态的包括模态频率、模态混响时间的各项参数，并同时计算出模态均衡后混响时间的目标值，将其存入设有的寄存器中；将实测房间模态的混响时间与寄存器中目标值的差值作为误差信号，送入条件选择开关1中；此条件选择开关的作用为判断输入误差信号的大小，若误差较大，超过某限定值， 则将误差信号送入模态均衡器H。(ζ)，帮助模态均衡器H。(ζ)调整参数，以得到新的误差信号；直到误差信号的大小达到某限定值以下，便认为已达到模态均衡的目标，条件选择开关 1就关闭其与模态均衡器H。(ζ)之间的通道，使模态均衡器H。(ζ)的参数固定不变，并激活条件选择开关2 ；开关1、2、3分别对应着开通模态均衡器H。(ζ)、相位均衡器Hp (ζ)以及幅度均衡器礼(2) 模块的开关；第二路声信号先经过一个带通滤波器，通带选择为分频点频率附近的频域;AD转换后，计算声信号在此频段的幅值波动方差，并和寄存器中的方差目标值进行比对，形成误差信号；当误差信号大于某限定值时，条件选择开关2才会将其送往相位均衡器Hp(ζ)，帮助其更改参数；当误差信号大小低于限定值时，认为相位均衡的目标已达成，条件选择开关2 关闭其与相位均衡器Hp (ζ)之间的通道，使扎(2)的参数固定不变，并激活条件选择开关3 ；为实现幅度均衡，使用一个预设好参数的滤波器D(Z)，使输入电信号χ[η]通过此滤波器后，对应着平直的声压级频率响应曲线；第三路声信号经过一个防止混叠失真的低通滤波器，经AD转换后，直接与χ[η]经D(z)滤波后的理想信号比对，产生的误差信号送入条件选择开关3 ；在误差值大于限定值时，条件选择开关3将其送入幅度均衡器Hm(Z)，帮助其更改参数；直到误差值小于限定值后，条件选择开关3关闭其与幅度均衡器Hm(ζ)之间的通道，使Hm(Z)的参数固定不变，并关闭x[n]的信号产生通道。
全文摘要
一种准自适应声学均衡方法，使用自适应数字滤波器和相应DSP算法模块来实现的对声源信号的变化自适应地对整个声频通带进行处理，将模态均衡、相位均衡和幅度均衡结合在一起的准自适应声学总体均衡器对整个声频通带进行处理；先对分频网络的低通通道进行低频段模态均衡，然后在高通通道对分频点附近区域上的高低通声信号叠加进行相位均衡，随后对整个频段、为高频段进行幅度均衡，从而实现对整个声频通带的全面优化处理；总体均衡由测量麦克风和若干DSP算法模块分别构成为模态均衡器、相位均衡器以及幅度均衡器模块实现并作用于扬声器系统，三模块皆用参数可调的数字滤波器实现，最后即可得到所需的音频信号。
文档编号H04R1/20GK102523542SQ20111041723
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者沈勇, 沈小祥 申请人:南京琅声声学科技有限公司