用于远场和近场头相关传输函数的多声源自动测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于远场和近场头相关传输函数的多声源自动测量系统，包括声音信号播放和记录模块、通道控制模块、多仰角声源布置模块和方位角调节模块以及基于个人计算机的自动测量系统控制中心；其中声音信号播放和记录模块、通道控制模块、方位角调节模块分别与自动测量系统控制中心连接，通道控制模还与多仰角声源布置模块连接；所述自动测量系统控制中心用于产生声学测量信号、控制通道控制模块的工作和设置方位角调节模块中转台转动的参数。本发明涉及的自动测量系统，所需硬件成本低，测量效率高，可用于远场和近场头相关传输函数测量。
【专利说明】用于远场和近场头相关传输函数的多声源自动测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及声学测量和电声【技术领域】，具体涉及一种头相关传输函数的快速自动测量系统。
【背景技术】
[0002]头相关传输函数(HRTF)定义为自由场(没有环境反射)条件下声源到倾听者(受试者)双耳的声学传输函数，它是受试者头部、耳廓、躯干等生理结构对声波散射(综合滤波)的结果，包含有声源的空间定位信息(方向和距离)，并与受试者的生理结构和尺寸有关。当声源到头中心的距离大于1.0 m时，称为远场HRTF ;而距离小于1.0 m时，称为近场HRTF。
[0003]头相关传输函数是双耳听觉定位、虚拟听觉重放信号处理的重要基础物理数据。它不但在双耳听觉的基础研究中非常重要，而且是设计多媒体与虚拟实现、虚拟环绕声、各种3D (三维)游戏等工程技术与消费电子产品的核心数据。
[0004]实验测量获取头相关传输函数是最常用的方法。由于头相关传输函数与声源位置有关，因而需要对不同声源位置的头相关传输函数进行测量。在远场情况下，只需要测量不同声源方向的头相关传输函数，但精确测量全空间方向的头相关传输函数的工作量已经非常大和耗时。在近场的情况，还需要测量不同声源距离的头相关传输函数。不同声源方向和距离的组合使得测量的工作量是远场情况的数倍。因此，按其测量效率估计，传统的单声源测量技术是难以完成多名受试者的头相关传输函数测量的，特别是对近场头相关传输函数的测量几乎是不可能的。
[0005]为了提高测量效率，简化测量过程，有研究采用多声源布置的测量系统和装置。例如:Begault等人用支架安装了 12个扬声器单元，可同时测量12个仰角的头相关传输函数 \_D.R.Begault et al., Design and verification of HeadZap, a semiautomatedHRIR measurement system, the 120th Convention, 2006 May 20 - 23 Paris, France]。但是，已有的测量系统存在一定不足:
其一，现有测量系统大都是为远场头相关传输函数测量而设计的。个别的近场头相关传输函数测量系统也只采用了单个声源的传统设计，效率不高，通常只适用人工头(假人模型)的头相关传输函数测量。目前还没有支持真人受试者近场头相关传输函数测量的多声源测量系统；
其二，即使是多声源头相关传输函数测量系统，现有的硬件设计是基于多通路的声卡和多通路的功放，每一个声源对应一个通路。不同通路按一定次序播放同一个测量信号。这种多通路硬件方法一方面成本高，另一方面每次测量中不同通路增益的一致性需要仔细调节，应用中非常不方便。
[0006]其三，在现有的测量系统中，各个功能模块之间的集成化程度不高，测量效率较低。
[0007]另外，也有研究同时采用两通路的不相关最大长度序列(MLS)作为测试信号同时测试两个方向的远场头相关传输函数数据I董秋洁等，一种普通环境中头相关传递函数的测量系统及测量方法，国家发明专利，2010,申请号201010218048'。这种方法的效率较传统的单声源方法提高了一倍，但不如多声源的方法高效，并且存在两声源的相互干扰引起的信噪比降低问题。当把这钟方法推广到多声源的情况，信噪比将会进一步降低\N Ximget al., Sitnultaneous acoustic channel measurement via maximal length-relatedsequences, J.Acoust.Soc.Am., 2005，117 (4)，Pt.1:。考虑到近场头相关传输函数测量中，头部阴影作用使异侧方向声源在受声耳产生的声压有大的衰减，低的测量信噪比会带来大的测量误差。因此多通路不相关MLS应用到近场头相关传输函数测量有较大的困难。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是克服了现有技术的不足，提供用于远场和近场头相关传输函数的多声源自动测量系统。本发明采用不同声源距离和多仰角声源布置，系统控制的集成化程度高，实现自动测量和实时检测，提高了头相关传输函数的测量效率和结果可靠性；继电器开关阵列的引入，则进一步精简了设计，降低了实验测量所需的硬件设备成本。
[0009]本发明的目的能通过如下技术方案之一予以实现:
用于远场和近场头相关传输函数的多声源自动测量系统，其包括声音信号播放和记录模块、通道控制模块、多仰角声源布置模块和方位角调节模块以及基于个人计算机的自动测量系统控制中心；其中声音信号播放和记录模块、通道控制模块、方位角调节模块分别与自动测量系统控制中心连接，通道控制模还与多仰角声源布置模块连接；所述自动测量系统控制中心用于产生声学测量信号、控制通道控制模块的工作和设置方位角调节模块中转台转动的参数。
[0010]进一步优化地，所述的声音信号播放和记录模块包括双耳传声器、前置放大器、声卡、功率放大器和多个扬声器声源，其中双耳传声器、前置放大器、声卡、功率放大器顺次连接，功率放大器通过通道控制模块与多个扬声器声源连接，所述声卡仅需要一个与功率放大器连接的声音信号输出通路和两个用于记录双耳传声器捡拾得到的双耳声压信号的输入通路。
[0011]进一步优化地，所述的多仰角声源布置模块包括多个同时布置在不同仰角的声源，不同仰角声源之间的距离通过声源支撑杆进行调节。
[0012]进一步优化地，所述方位角调节模块包括数控转台，用于调节受试者相对于不同仰角声源的方位角；数控转台能以设定的步进角度转动或进行低速的连续转动，满足不同的测量要求。
[0013]进一步优化地，所述通道控制模块包括基于单片机的控制模块和继电器开关阵列；继电器开关阵列中的继电器开关与布置在不同仰角的声源一一对应，按设定顺序每次仅一个继电器处于导通状态，从而驱动对应的声源；继电器开关的数目不少于声源数目。
[0014]进一步优化地，所述多声源自动测量系统还包括与自动测量系统控制中心进行数据传输的数据实时处理和检查模块，数据实时处理和检查模块的功能包括:用上升沿法确定测量信号延时；对测量信号进行解卷积，以得到头相关脉冲响应；对声源和传声器的特性进行均衡；对均衡后的信号进行低频补偿的算法处理，以改善测量头相关传输函数的低频特性；加时间窗消除环境反射声的影响；实时对结果进一步运算和分析，展示头相关传输函数测量数据的特性曲线；在测量过程中，能生成异常数据报表供查验；所述特性曲线为幅度谱、相位谱、双耳幅度差(ILD)或双耳时间差(ITD)曲线。
[0015]相对于现有技术，本发明的优点及有益效果包括:
1、系统的集成化程度高，实现自动测量和实时检测，提高了头相关传输函数的测量效率、精度和可靠性；
2、引入单片机控制的继电器开关阵列切换通路信号，降低了多通路测量设备成本，同时也不需要进行通路增益的一致性的调整，简化了测量过程。
[0016]3、适用于远场和近场头相关传输函数测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是采用多声源的头相关传输函数自动测量系统的方块图；
图2是测量系统结构示意图；
图3a是单片机继电器开关阵列示意图；
图3b是继电器开关阵列面板布局图；
图4是测量结果实时检测模块的软件流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0019]实施例1)
如图1所示，头相关传输函数自动测量系统，由自动测量系统控制中心100 (可采用个人计算机A实现)，声音播放和记录模块110，多仰角声源布置模块120，声源的通道控制模块130，声源的方位角调节模块140，实验数据实时处理和检查模块150，共6个部分组成。各模块的实现步骤包括:
步骤I):如图2所示，声音播放和记录模块110的主要设备包括声卡111、功率放大器113、扬声器声源123、双耳传声器114和前置放大器112。其中，声卡111要求采用音频流输入输出接口(ASIO)技术，以保证不同通路信号的同步性；声卡仅需一个输出通路Out I和两个输入通路(In I和In 2)。自动测量系统控制中心100产生的声学测量信号(如最大长度序列MLS)，经声卡111进行数模转换(DA)，变成模拟信号；经功率放大后，再经通道控制模块驱动布置在不同仰角的扬声器声源123 ;声源发出的声波，由放置在受试者双耳处的双耳传声器进行捡拾，所得双耳声压信号经前置放大器141后输入声卡；声卡与自动测量系统控制中心100之间用USB线连接进行数据传输。
[0020]步骤2):多仰角声源布置模块120主要包括仰角定位环121、不同长度的声源支撑杆122和多个扬声器声源123,最多可布置64个扬声器声源。为了改善不同仰角测量信号的一致性，一方面要选择一致性较好的扬声器单元作为测试声源，要求不同声源的幅度频率响应的差别在一定频段范围内不大于疒3 dB ;另一方面，还需要对不同声源分别进行声源特性均衡等信号处理，以进一步改善不同仰角测量数据的一致性。
[0021]步骤3):通道控制模块130由基于单片机的控制模块131和继电器开关阵列132构成。例如，图3a所示的/7个继电器305 (K1-Kn)组成的开关阵列，最多可依次驱动/7个通路的扬声器声源123，进行测量。自动测量系统控制中心100通过串口线302与单片机控制模块131相连，通过计算机发出指令设置单片机控制模块的具体参数(如开关顺序、导通时间、间隔时间等)。通道控制模块的面板示意图如图3b所示，电源接口 303用于提供直流电；继电器开关阵列132的继电器305采用矩形排布，可以节约空间；将继电器开关阵列的输出接口 304排列在面板边缘，以方便焊接和安装。
[0022]步骤4):方位角调节模块140由数控转台142及转台控制模块141组成。自动测量系统控制中心100发出指令，设置转台转动的参数(如转动间隔、停顿时间等)。通常数控转台产品提供了 C语言或Matlab语言等现成的接口文件，方便程序系统的集成。
[0023]步骤5):数据实时处理和检测模块150配置在另一台计算机B上(可远程单独布置或配置在自动测量系统控制中心的计算机上)，通过网线与自动测量系统控制中心100的计算机A相连接，对实验测量的数据进行实时扫描和处理。其处理流程图如图4所示，包括:用上升沿法确定测量信号延时401 ;对测量信号进行解卷积402，以得到头相关脉冲响应(HRIR，与头相关传输函数互为傅立叶变换)；对声源和传声器的特性进行均衡403 ;对均衡后的信号进行低频补偿的算法处理404，改善测量头相关传输函数的低频特性；加时间窗消除环境反射声的影响405 ;实时对结果进一步运算和分析，展示头相关传输函数测量数据的特性曲线406，可选择幅度谱、相位谱、双耳幅度差(ILD)、双耳时间差(ITD)等曲线。例如，用相关法得出双耳时间差ITD，并绘制不同仰角的ITD，通过检测ITD的变化规律，判断实验数据的合理性。
[0024]采用上述步骤的测量系统，测量时间可根据测量信号的长度和头相关传输函数的空间采用密度进行预测。具体的预测方法可按下面例子的步骤进行:
1)测量信号采用10段14阶的最大长度序列，96kHz采样频率，每个声源播放一次的时延共 10 X214 +96000 ^ 1.7 秒；
2)测量信号每播放一次，停留时间0.5秒，期间继电器开关进行通路切换；
3)若某个声源距离的仰角从-30度到90度按7.5度等间隔采样，则产生有16个仰角；
4)对于某个声源距离和声源仰角，其声源方位角从0度到360度按5度等间隔采样，则产生73个空间方位角；
5)数控转台转一周累计约2分钟；
6)在某个声源距离完成上述声源空间方向的HRTF测量，共耗时约:
T = (1.7 +0.5) X16 X 73 +60 秒 + 2 ~45 分钟.可见，采用本发明的多声源自动测量系统，较大程度地提高了测量效率。
[0025]从上述的实例可见，根据本发明的采用多声源的头相关传输函数多声源自动测量系统，适合于近场和远场头相关传输函数快速测量；其声音信号播放仅需一个通路，声音信号记录仅需两个通路，一般的声卡和功放即可满足要求，与传统的多路声卡和功放的方式相比，节约了成本，提高了测量效率。该发明还适用于其它对多声源测量有需求的电声应用场合。
[0026]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.用于远场和近场头相关传输函数的多声源自动测量系统，其特征在于包括声音信号播放和记录模块、通道控制模块、多仰角声源布置模块和方位角调节模块以及基于个人计算机的自动测量系统控制中心；其中声音信号播放和记录模块、通道控制模块、方位角调节模块分别与自动测量系统控制中心连接，通道控制模还与多仰角声源布置模块连接；所述自动测量系统控制中心用于产生声学测量信号、控制通道控制模块的工作和设置方位角调节模块中转台转动的参数。
2.根据权利要求1所述的多声源自动测量系统，其特征在于:所述的声音信号播放和记录模块包括双耳传声器、前置放大器、声卡、功率放大器和多个扬声器声源，其中双耳传声器、前置放大器、声卡、功率放大器顺次连接，功率放大器通过通道控制模块与多个扬声器声源连接，所述声卡仅需要一个与功率放大器连接的声音信号输出通路和两个用于记录双耳传声器捡拾得到的双耳声压信号的输入通路。
3.根据权利要求1所述的多声源自动测量系统，其特征在于:所述的多仰角声源布置模块包括多个同时布置在不同仰角的声源，不同仰角声源之间的距离通过声源支撑杆进行调节。
4.根据权利要求1所述的多声源自动测量系统，其特征在于:所述方位角调节模块包括数控转台，用于调节受试者相对于不同仰角声源的方位角；数控转台能以设定的步进角度转动或进行低速的连续转动，满足不同的测量要求。
5.根据权利要求1所述的多声源自动测量系统，其特征在于:所述通道控制模块包括基于单片机的控制模块和继电器开关阵列；继电器开关阵列中的继电器开关与布置在不同仰角的声源 对应，按设定顺序每次仅一个继电器处于导通状态，从而驱动对应的声源；继电器开关的数目不少于声源数目。
6.根据权利要求1所述的多声源自动测量系统，其特征在于:还包括与自动测量系统控制中心进行数据传输的数据实时处理和检查模块，数据实时处理和检查模块的功能包括:用上升沿法确定测量信号延时；对测量信号进行解卷积，以得到头相关脉冲响应；对声源和传声器的特性进行均衡；对均衡后的信号进行低频补偿的算法处理，以改善测量头相关传输函数的低频特性；加时间窗消除环境反射声的影响；实时对结果进一步运算和分析，展示头相关传输函数测量数据的特性曲线；在测量过程中，能生成异常数据报表供查验；所述特性曲线为幅度谱、相位谱、双耳幅度差(ILD)或双耳时间差(ITD)曲线。
【文档编号】H04S7/00GK103731796SQ201310469761
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】余光正, 刘昱, 谢菠荪 申请人:华南理工大学