自动声均衡的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于自动声平衡的系统和方法，特征在于包括步骤:预校准的声信号被发射并被N个麦克风接收后，测量N个脉冲响应RI1，RI2，……，RIn；利用快速傅里叶变换计算N个频率响应；计算N个频率响应的平均频率响应M；将平均频率响应M转化为对数频率响应；基于使用者选取的一定数目的数据点，用插值法绘制目标声学特征曲线Cec；将目标声学特征曲线Cec转化为对数频率响应；比较平均频率响应M与目标声学特征曲线Cec并计算其差值；分析源于M与Cec之间差值的曲线Cdiff；和为了确定滤波器参数以减小响应M与响应Cec之间差值，首先按照局部最大值的增益降序排列对其进行处理，然后局部最小值，同时实施连续的循环。
【专利说明】
自动声均衡的方法和系统
技术领域
[0001 ]本发明设及声音信号处理领域。
[0002] 本发明尤其设及用于自动声均衡的一种方法和一个系统。
[0003] 本发明的一种应用情况是:在汽车领域中，在车内放置多个麦克风并在汽车扬声 器中播送预校准的声音序列。使用一个系统将发射的声学信号与接收并保存的声学信号进 行比较。通过推导出的汽车车厢"声学特征"，使用者可W定义不同于汽车原本的声学特征 的一个目标声学特征曲线，并再用第二个算法计算数字滤波器的系数。如果在向汽车扬声 器传送声学信号之前使用运些数字滤波器对其进行滤波，可使得汽车的声学特征变为目标 声学特征曲线，而不再是汽车原本的声学特征。
[0004] 在本发明中，使用昂格鲁一撒克逊术语学中被称为"IIR"( Infinite Impulse Response)的无限脉冲响应滤波器。
[0005] 尤其是，本发明中使用双二阶滤波器(Biquad filter)。
[0006] 本发明中的方法和系统设及到对车厢的频率响应幅度的均衡。
【背景技术】
[0007] 我们知道在现有技术中，法国发明专利申请（申请号：FR2967848,
【申请人】： CentreScientifique et Technique duBSltiine扣）设及到特别是应用于剧场的一个频谱改 正系统。属于现有技术的该专利申请描述了包括多个基本组成单元的一个电声学系统。运 些基本组成单元中包含:一个声均衡装置，一个发射器，一个接收器，用于放大由接收器发 送至发射器的信号的一个放大电路，和一个计算构件，该计算构件与其它构件一起作用于 声均衡装置。属于现有技术的该技术方案中，尤其是使用由噪声生成器提供的能够用于观 测开环系统响应的一个测量信号或者其它方法，在接收器的位置接收发射器，即剧场的响 应。对声均衡装置进行操作使得响应尽可能趋同于一个目标响应。属于现有技术的该技术 方案应用于改变剧场的声学特征。
[000引同样还知道在现有技术中，美国专利US6721428B1(专利权人:Texas Instrument) 中的一种扬声器自动均衡器。属于现有技术的该美国专利特别设及到产生数字滤波器W对 一个扬声器进行均衡的一种方法。提供第一数字资料，其代表扬声器声音信号对频率的目 标响应曲线的允许范围。提供第二数字资料，其代表扬声器声音信号对频率的实际响应曲 线。比较第一数字资料和第二数字资料并且决定实际响应曲线是否会在允许范围内。如果 实际响应曲线不在允许范围内，反复地产生数字音频滤波器，将数字音频滤波器用于第二 数字资料W产生用于补偿响应曲线的第Ξ数字资料。自动最优化数字音频滤波器的频率、 增益和带宽，直到补偿响应曲线进入允许范围内或到达数字滤波器数目的预定限制为止， 自动最优化止于上述先发生的条件。
[0009] 在现有技术中，我们还知道由German Ramos和Jose J. Lopez发表的题目为： Filter Design Method for Loudspeaker Equalization Based on II民 Parametric Filters(基于HR参数滤波器的用于均衡扬声器的滤波器设计方法）的科学出版物。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种方法，确定滤波器的参数W减小一个扬声器组合在其所处环境 中频率响应的幅度与一个目标声学特征曲线之间差值，并能够对一个信号进行均衡。
[0011] 为了达到运个目的，本发明在其最通常的设计中设及到自动声均衡的一种方法， 其特征在于有W下步骤： 一个预校准的声信号被发射并被N个麦克风接收到之后，测量N个脉冲响应RIi， 民 I2,......，RIn; 利用快速傅里叶变换计算与N个脉冲相关的N个频率响应； 对N个频率响应进行处理得到一个平均频率响应Μ; 采用对数频率标度，将Ν个频率响应的平均频率响应Μ转化为对数频率响应； 基于由使用者选取的一定数目的数据点，用插值法绘制一个目标声学特征曲线Ce。； 采用对数频率标度，将目标声学特征曲线Ce。转化为对数频率响应； 比较平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Cec，计算平均频率响应Μ与目标声学特征曲 线Cec之间差值； 分析源于平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间差值的曲线Cdiff ;和 为了确定滤波器参数W减小平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间的差值，首先 对局部最大值的增益进行降序排列，对局部最大值进行处理，然后对局部最小值进行处理， 并实施连续的循环迭代. 方法还包括对滤波器参数进行优化的一个步骤W改善系统的性能。
[0012] 那么，得益于对滤波器参数的精确和优化计算，本发明中的方法能够得到自动的 声均衡。
[0013] 用插值法绘制一个目标声学特征曲线的步骤中最好使用埃尔米特插值法。
[0014] 有利的是，上述方法另外还包括对目标响应Ce。偏移自动优化的一个步骤，其在每 次循环时重复执行一次。
[0015] 有利的是，上述方法另外还包括对N个频率响应进行平滑处理的一个步骤。
[0016] 上述方法中，根据局部最大值和局部最小值的形式，最好使用与W下滤波类型相 关的滤波器:峰值滤波(peak),波段丢弃滤波(notch),高通滤波化igh-shelf)和低通滤波 (low-shelf)。
[0017] 根据一种具体的实施方式，为了使误差最小，上述方法中还使用了一个全局优化 算法。
[0018] 本发明也设及到自动声均衡的一个系统，其特征在于具有装置用于： 在一个预校准的声信号被发射并被N个麦克风接收到之后，对N个脉冲响应RIi， RI2,......，RIn进行测量； 利用快速傅里叶变换计算与N个脉冲相关的N个频率响应； 对N个频率响应进行处理得到一个平均频率响应Μ; 采用对数频率标度，将Ν个频率响应的平均频率响应Μ转化为对数频率响应； 基于由使用者选取的一定数目的数据点，用插值法绘制一个目标声学特征曲线Ce。； 采用对数频率标度，将目标声学特征曲线Ce。转化为对数频率响应； 比较平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Cec，计算平均频率响应Μ与目标声学特征曲 线Cec之间差值； 分析源于平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间差值的曲线Cdiff ;和 为了确定滤波器参数W减小平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间的差值，首先 对局部最大值的增益进行排列，对局部最大值进行处理，然后对局部最小值进行处理，并实 施连续的循环迭代； 系统还包括对滤波器参数进行优化的装置W改善系统的性能。
【附图说明】
[0019] 借助下文中仅仅用于说明的本发明的一种【具体实施方式】，能够参照附图更好地理 解本发明。在附图中： 图1描述了根据本发明的方法的不同步骤； 图2示出了本发明意义上的目标声学特征曲线Cec，源自N个脉冲响应的N个频率响应， W及N个频率响应的平均响应M;和 图3描述了对局部最大值（"波峰"）和局部最小值（"波谷"）的检测和分类。
【具体实施方式】
[0020] 图1描述了根据本发明的方法的不同步骤。
[0021] 与本发明相符的自动声均衡方法包括下述步骤： 首先，发射一个预先校准的声学信号后，测量由N个麦克风接收到的N个脉冲响应RIi， 民 I2,......?RIn〇
[0022] 其次，利用快速傅里叶变换方法计算与N个脉冲响应相关的N个频率响应。
[0023] 然后，对N个频率响应进行处理得到一个平均频率响应M。
[0024] 采用对数频率标度，将述平均频率响应Μ转化为对数频率响应； 用插值法绘制一个目标声学特征曲线Ce。，并采用对数频率标度，将其转化为对数频率 响应。
[0025] 再然后，比较平均频率响应Μ和目标声学特征曲线Ce。，计算平均频率响应Μ与目标 声学特征曲线Cec之间的差值。
[0026] 分析源于平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间差值的曲线Cdiff。
[0027] 最后，为了确定滤波器参数W减小平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间的 差值，首先按照局部最大值的增益进行降序排列，对局部最大值进行处理，然后对局部最小 值进行处理，并实施连续的循环迭代。
[0028] 根据本发明的方法还包括优化滤波参数W改善系统性能的一个步骤。
[0029] 处理频率响应时可W用"标准"方法（即使用相同加权系数），也可W使用不同的加 权系数。
[0030] 图2示出了本发明意义上的目标声学特征曲线Cec,源自N个脉冲响应的N个频率响 应，W及N个频率响应的平均响应M。在本发明的范围内，通过计算平均频率响应Μ与目标声 学特征曲线Cec之间差值，比较平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Cec。
[0031] 图3是描述了对局部最大值（"波峰"）和局部最小值（"波谷"）的检测和分类。与本 发明相符，首先按照局部最大值（"波峰"）的增益降序排列的顺序对局部最大值进行处理， 然后按照局部最小值（"波谷"）升序排列的顺序对局部最小值进行处理。运可W用于确定滤 波器参数W减小平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间的差值。并且实施连续的循环 迭代。
[0032] 在科学研究中已经被证明，最好首先对波峰进行均衡，然后对波谷进行均衡。事实 上，相对于波谷，人耳对波峰更灵敏。
[0033] 在一种实施方式中，对目标曲线偏移的优化是按照如下方法实现的： 在对数尺度下，重新计算目标曲线和平均频率响应，W逼近听觉系统的非均匀感知。运 是通过一个平滑函数实现的，其中平滑函数重新在对数尺度下对频率响应进行采样，例如 对1/48纯八度音的频率解析。
[0034] i )将加权向量戶r e g r e i g A ?作用于优化的频带"戶e g7?a打ge"，其中 Freg/feigA ?在频带范围外是0,在频带范围内是1。
[0035] ii)将在均衡频带内平均频率响应的平均值作为偏移的初始值"0//S e t "(单位 是地）：
此处η j和η汾别是声均衡的对数频率频带的第一个和最后一个频率值。
[0036] iii)优化算法在于计算最佳偏移量，0ffset可W最小化M和Cec( = 5^Aaクe + 。//56 0之间的差值，其定义如下：
运是利用优化算法实现的，其中优化算法循环迭代计算误差e "63。，并在初始值+/- 100地的区间范围内计算最佳偏移量。为了进一步最小化误差值对优化问题添加一个 约束，W将波峰的增益限制为单位地）。其定义如下：
通过一个算法对滤波器的参数和数目进行优化。基于使用者预先设定的初始区间值， 对参数f，Q和G(分别是双二阶滤波器(Biquad filter)的中屯、频率，品质因数和增益)进行 优化，而Q和G的取值范围取决于频率的值。因此，例如在高频范围内，低增益滤波器更容易 被剔除，因为它们更难W被感知到。
[0037] 在一种实施方式中，目的在于得到一个滤波器最佳参数(/ CDW必。W游。W)和目标 曲线的最佳偏移〇// S e ?。^。参数的极值是按照如下方法确定的：
其中fc和G分别是第η个波峰的一个双二阶滤波器(Biquad filter)的中屯、频率和增 益，0 7? a Λ g e是品质因数Q的可选择区间范围。
[0038] 实现一种后优化程序。该后优化程序在于按照频率升序对滤波器进行分类并重新 优化系数。如果一个滤波器在此程序中未被使用，那么要找到一个新的波峰/波谷W使得滤 波器数目最大。实施优化程序直至达到滤波器的最大数目。
[0039] 在一种实施方式中，在用插值法绘制目标曲线的步骤中，是通过埃尔米特插值法 实现的。
[0040] 在一种实施方式中，本发明还包括对目标响应Cec偏移自动优化的一个步骤，其在 每次循环时重复执行一次。
[0041] 在一种实施方式中，本发明中的方法还包括对N个频率响应进行平滑处理的一个 步骤。
[0042] 在本发明中的方法的范围内，根据局部最大值和局部最小值的形式，使用与W下 滤波类型相关的滤波器：峰值滤波(/7eaA)，波段丢弃滤波（noicA)，高通滤波（Ai的- sA e 7 / )和低通滤波(7 / )。
[0043] 在某些情况下，最好选择一种峰值滤波器(peak)。在另外一些情况下，最好选择一 种低通或者高通滤波器（shelf)。基于品质因数是否超过某个阔值，对滤波器类型进行选 择。
[0044] 在一种实施方式中，本发明的方法利用一个全局优化算法W使误差最小。
[0045] 本发明还设及到自动声均衡的一个系统，其特征在于具有装置用于： 在一个预校准的声信号被发射并被N个麦克风接收到之后，对N个脉冲响应RIi， RI2,......，RIn进行测量； 利用快速傅里叶变换计算与N个脉冲相关的N个频率响应； 对N个频率响应进行处理得到一个平均频率响应Μ; 采用对数频率标度，将Ν个频率响应的平均频率响应Μ转化为对数频率响应； 基于由使用者选取的一定数目的数据点，用插值法绘制一个目标声学特征曲线Ce。； 采用对数频率标度，将目标声学特征曲线Ce。转化为对数频率响应； 比较平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Cec，计算平均频率响应Μ与目标声学特征曲 线Cec之间差值； 分析源于平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间差值的曲线Cdiff ;和 为了确定滤波器参数W减小平均频率响应Μ与目标声学特征曲线Ce。之间的差值，首先 对局部最大值的增益进行降序排列，对局部最大值进行处理，然后对局部最小值进行处理， 并实施连续的循环迭代. 系统还包括对滤波器参数进行优化的装置W改善系统的性能。
[0046] 上文是对本发明的示例性描述。在不脱离本专利范围的情况下，本领域技术人员 明显可W对本发明做出若干变形。
【主权项】
1. 自动声均衡的方法，其特征在于包括以下步骤： 一个预校准的声信号被发射并且被N个麦克风接收到之后，测量N个脉冲响应RL·， RI2,......，RIn; 利用快速傅立叶变换方法计算与所述N个脉冲响应相关的N个频率响应； 对所述N个频率响应进行平均处理得到一个平均频率响应M; 采用对数频率标度，将所述N个平均频率响应的所述平均频率响应Μ转化为对数频率响 应； 基于由使用者选择的一定数目的数据点，用插值法绘制一个目标声学特征曲线C%; 采用对数频率标度，将所述目标声学特征曲线Ce。转化为对数频率响应； 比较所述平均频率响应Μ和所述目标声学特征曲线Ce。，计算所述平均频率响应Μ与所述 目标声学特征曲线的差值； 分析源于所述平均频率响应Μ与所述目标声学特征曲线G。之间差值的曲线Cdlff;和 为了确定滤波器参数以减小所述平均频率响应Μ与所述目标声学特征曲线G。之间的差 值，首先对局部最大值的增益进行降序排列，对局部最大值进行处理，然后对局部最小值进 行处理，并实施连续的循环迭代； 所述方法还包括对滤波器参数进行优化的一个步骤以改善系统的性能。2. 如权利要求1所述的自动声均衡的方法，其特征在于，在用插值法绘制目标声学特征 曲线的步骤中，是通过埃尔米特插值法实现的。3. 如权利要求1或2所述的自动声均衡的方法，其特征在于，还包括对目标响应C%偏移 自动优化的一个步骤，该步骤在每次循环时重复执行一次。4. 如权利要求1至3中任一项所述的自动声均衡的方法，其特征在于，还包括对N个频率 响应进行平滑处理的一个步骤。5. 如前述任一项权利要求所述的自动声均衡的方法，其特征在于，根据局部最大值和 局部最小值的形式，其使用与以下滤波类型相关的滤波器:峰值滤波，波段丢弃滤波，高通 滤波和低通滤波。6. 如前述任一项权利要求所述的自动声均衡的方法，其特征在于，使用了一个最小化 误差的全局优化算法。7. 自动声均衡的系统，其特征在于，其具有装置用于： 在一个预校准的声信号被发射并且被N个麦克风接收到之后，测量N个脉冲响应RL·， RI2,......，RIn; 利用快速傅立叶变换方法计算与所述N个脉冲响应相关的N个频率响应； 对所述N个频率响应进行平均处理得到一个平均频率响应M; 采用对数频率标度，将所述N个平均频率响应的所述平均频率响应Μ转化为对数频率响 应； 基于由使用者选择的一定数目的数据点，用插值法绘制一个目标声学特征曲线C%; 采用对数频率标度，将所述目标声学特征曲线Ce。转化为对数频率响应； 比较所述平均频率响应Μ和所述目标声学特征曲线Ce。，计算所述平均频率响应Μ与所述 目标声学特征曲线的差值； 分析源于所述平均频率响应Μ与所述目标声学特征曲线G。之间差值的曲线Cdlff;和 为了确定滤波器参数以减小所述平均频率响应Μ与所述目标声学特征曲线G。之间的差 值，首先对局部最大值的增益进行降序排列，对局部最大值进行处理，然后对局部最小值进 行处理，并实施连续的循环迭代； 所述系统还包括对滤波器参数进行优化的装置以改善系统的性能。
【文档编号】H04R3/04GK106063293SQ201580010329
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月3日
【发明人】弗雷德里克·阿马杜, 德尔菲娜·德瓦雷
【申请人】阿嘉米斯