专利名称：基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扬声器阵列声场控制方法和装置，特别涉及一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法和装置。
背景技术：
在大型厅堂、体育场馆、露天广场、火车站和飞机场等大空间视听场所，传统的基于多个扬声器分离放置的声重放系统，由于多个扬声器所辐射空间声场存在着较为严重的干涉效应，会造成多扬声器所叠加声场在空间上出现较多的峰谷点，特别随着辐射信号频率的增加，这种叠加声场空间分布的不均匀特征将更为严重。为了解决大空间场所的声场均匀覆盖问题，基于多个扬声器单元的阵列系统设计已成为大型场所扩声系统的研发热 点。近年来，许多学者及音响工程师都致力于扬声器阵列系统的设计研发，期望通过对阵列的形状、通道延时、通道幅度及相位等物理参数的调整，以改善阵列空间辐射声场的分布特性——扩大阵列辐射声场的覆盖范围并提高阵列辐射声场分布的均匀化程度。为了改善扬声器阵列在宽频带大空间范围内的声场分布特性，许多设计方法和实现装置已经出现在文献中,这些研究成果如下
文献 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.——提出了通过使用电学或声学滤波器装置，滤除掉部分扬声器单元的高频成份，以改善扬声器阵列整体的空间辐射声场特性。文献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.——提出按照对数间距布放扬声器阵列的方法，以提高阵列空间辐射声场的均匀程度。文献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
数的数值大小来设置阵列各扬声器单元的声压辐射强度，从而改善阵列辐射声场的均匀特性。文献 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函数的特性调整阵列各扬声器单元的声压辐射强度，从而在提高声场均勻程度的同时也改善了其相位特性。文献5—沈勇，江超，徐小兵，张素珍，利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法和装置，专利申请号200410044849. 5，授权公告号CN 100521817C。——提出利用二次剩余序列的特性来优化扬声器阵列的空间辐射声场，按照二次剩余序列的比例关系调整各扬声器阵元通道的信号延时大小，以提高声场均匀程度。
文献6—沈勇，安康，欧达毅，利用二次剩余序列相位延迟设置扬声器阵列的方法和装置，专利申请号200610096523. 6，授权公告号CN 1929696 B。——提出按照二次剩余序列的比例关系来调整各扬声器阵元通道的相位大小，以改善声场均匀特性。文献1-4所提出的基于改变阵列形状或调整阵元通道幅度的这些方法，虽然都能够改善声场的均匀程度，但是这些方法的物理实现都较为复杂，声重放系统的辐射效率较低，实用性差。文献5所提出的基于二次剩余序列的通道延时控制方法，对阵列宽带范围的声场有一定的改善作用，但是随频率变化时阵列的空间方向图存在较为明显的改变，在某些频率点处辐射声场存在着较严重的不均匀特性。文献6所提出的基于二次剩余序列的通道相位延迟控制方法，较文献5所述方法有一定的改进，减小了阵列随频率变化所引起的空间声场变化程度，阵列在宽频带、大空间范围内的声场均匀性得到了进一步提高。文献6所提出的基于二次剩余序列调整通道相位延迟的方法，物理实现简单，声 场均匀程度的改善较为明显，但是这种仅利用一个与阵元数相等的特定二次剩余序列所设计出的阵列相位延迟矢量虽然达到了改善声场的效果，但是并不是最优的阵列相位延迟矢量。文献6并没有进一步考虑通过扩大二次剩余序列的覆盖范围来优化阵列相位延迟矢量的声场改善效果，并没有尝试使用多组不同二次剩余序列的组合来提高二次序列对阵列声场均匀特性的改善能力，因此并没有将二次剩余序列对阵列声场的改善作用完全发挥出来，仍然可以通过多种二次剩余序列的组合特性来提高其对阵列声场均匀特性的改善能力。针对现有基于单个特定二次剩余序列的相位延迟控制方法，在扬声器阵列空间辐射声场改善方面所存在的性能有限、优化程度不足等问题，有待于研究通过扩大二次剩余序列的覆盖范围，借助多组不同二次剩余序列的组合来优化设计阵列的相位延迟矢量，以提高阵列在宽频带、大空间范围内所辐射声场的均匀程度。
发明内容
本发明的目的是克服现有基于单个特定二次剩余序列在阵列声场改善方面所存在的性能有限、优化程度不足等问题，提出了一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法和装置。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，包括如下步骤
(1)将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列；
(2)利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量；
(3)按照最优的相位延迟矢量控制多阵元通道的传输信号进行相位延迟调整；
(4)将延迟调整后的多通道信号送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场。进一步地，步骤I中指定二次剩余序列，该序列由如下公式产生 cN - n 2 mod AT ，
其中cn为指定二次剩余序列的第n个元素，N为序列长度，mod表示取模。更进一步地，步骤I中指定二次剩余序列，其序列长度N大于阵元数L，序列长度N的最小取值Nmin大于10XL。进一步地，步骤I中将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列，其具体实现流程如下
设指定的二次剩余序列表达式为
cM ~ [crI C2 CmT >
按照阵元数L对二次剩余序列4进行切块，生成M(N>MXL)个子序列，经序列分割后，序列％可以由二次剩余子序列表示为
.—J.lf r(2ff
"Li -I " cI ，
其中为序列分割后产生的第i个二次剩余子序列，可以表示为
(j) r (!) ⑴(ij
cL = b(2-l)Z+l C{i-l)Z+2 …Cii-l)￡+￡ I，
更进一步地，步骤2中利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量，其具体实现流程如下
由第i个长度为L的二次剩余子序列构造用于阵元数为L的阵列相位延迟控制矢量#为
其中为对应于第I个阵元的相位延迟量，其表达式为
￠1 5 = C(Z-I)L-U X 為，
其中_为相位延迟常量，其表达式为
爲=2n/N ;
将由多个二次剩余子序列构造的阵列相位延迟矢量进行组合，假设按照二次剩余子序列的序号i由41〗、42>、…、组合形成的二次剩余序列的组合序列为,其表达式为 4uj}=l4” 425 4"!J
其中I彡K彡M，由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量为 …&,其表达式
权利要求
1.一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，包括如下步骤 (1)将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列； (2)利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量； (3)按照最优的相位延迟矢量控制多阵元通道的传输信号进行相位延迟调整； (4)将延迟调整后的多通道信号送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场。
2.根据权利要求I所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于步骤I中所述的指定二次剩余序列，该序列由如下公式产生
3.根据权利要求I所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于步骤I中所述的指定二次剩余序列，其序列长度N大于阵元数L，序列长度N的最小取值Nmin大于10XL。
4.根据权利要求I所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于步骤I中所述的将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列，其具体实现流程如下 设指定的二次剩余序列表达式为
5.根据权利要求4所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于步骤2中所述的利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量，其具体实现流程如下 由第i个长度为L的二次剩余子序列
6.根据权利要求I所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于步骤3中所述的按照最优的相位延迟矢量控制多阵元通道的传输信号进行相位延迟调整，在DSP或者FPGA等数字信号处理器内部按照最优的相位延迟矢量的数值，利用数字相位延迟方法实现对多阵元通道的相位延迟调整。
7.一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制装置，其特征在于它包括声源(I)、与所述最优相位延迟控制器3的输入端相连接的用于计算阵列在宽频带大空间范围内实现均匀声场控制的最优相位延迟矢量的最优相位延迟估计器(2)、分别与所述声源(I)和最优相位延迟估计器(2)的输出端相连接的用于将所述最优相位延迟估计器(2)所计算的最优相位延迟矢量加载到扬声器阵列的各阵元通道上并按照最优相位延迟矢量调整各阵元通道的相位延迟量的最优相位延迟控制器(3)、与所述最优相位延迟控制器(3)的输出端相连接的用于对相位延迟调整后的多通道信号进行功率放大以实现对驱动扬声器阵列的驱动的多通道功率放大器(4)、与所述多通道功率放大器(4)的输出端相连接的用于将相位延迟调整后的电功率信号转换为空气振动信号以达到改善阵列辐射声场均匀程度的效果的扬声器阵列(5 ),所述的声源(I)为系统待重放的声信息。
8.根据权利要求7所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制装置，其特征在于所述的声源(I)为各种模拟装置所产生的模拟音源信号、各种数字装置所产生的数字编码信号、无线发射装置传送来的广播信号并通过无线接收器进行接收和解调获得用户指定的声源信号中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求7所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制装置，其特征在于所述的最优相位延迟估计器(2)，使用阵列建模和最小值搜索的方法的信号处理流程如下 (O首先，输入指定的二次剩余序列的长度，按照设定的序列长度生成二次剩余序列，按照与阵元数相等的序列长度对指定二次剩余序列进行分块，产生二次剩余子序列；然后对二次剩余子序列依次进行组合，生成多个组合序列，最后由多个组合序列分别生成相应的多个相位延迟矢量；输入用于声场建模的已知参数阵元数、阵元间距、扬声器口径、离散化频点矢量、阵元位置、观察点位置，利用这些参数建立扬声器阵列空间辐射声场的计算模型； (2)依次在每个频点处利用多个相位延迟矢量分别控制阵列延迟，计算出每个延迟矢量控制时阵列在观察区域的声压幅度矢量，接着依次在每个频率点处分别计算多个相位延迟矢量控制时阵列在观察区域声压幅度矢量的方差估计值序列； (3)在每个频率点处搜素方差估计值序列的最小值，并记录最小值所对应的序列索引号，然后将所有频率点搜索所得到的各索引号进行平均和取整操作，获得索引号的平均值，利用索引号的平均值计算出用于宽带声场均匀化控制的最优相位延迟矢量。
10.根据权利要求7所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制装置，其特征在于所述的最优相位延迟估计器(2)，按照方差序列最小值所处的经验性区域范围来确定索引号的位置。
11.根据权利要求7所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制装置，其特征在于所述的最优相位延迟控制器(3)，根据有限脉冲响应滤波器的线性相位特性，通过设计合适的滤波器系数，实现阵列多通道宽带信号的相位延迟操作。
12.根据权利要求7所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制装置，其特征在于所述的多通道功率放大器(4)，为多通道的AB类或者D类功率放大器。
全文摘要
本发明公开了一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法和装置。该方法包括(1)将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列；(2)利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量；(3)按照最优的相位延迟矢量控制多阵元通道的传输信号进行相位延迟调整；(4)将延迟调整后的多通道信号送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场。该装置包括声源、最优相位延迟估计器、最优相位延迟控制器、多通道功率放大器、扬声器阵列。本发明能够有效扩展阵列空间辐射声场的覆盖范围，提高阵列空间辐射声场的均匀程度，且声场控制方法的硬件实现简单，满足了阵列扩声系统对声场空间分布品质的要求。
文档编号H04R1/40GK102711015SQ20121016995
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者马登永 申请人:苏州上声电子有限公司