專利名稱：基于有源控制的虛擬耦合空間的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種基于有源控制的虛擬耦合空間的設計方法。
二.
背景技術：
可變室內聲學系統自問世已經有超過50年的歷史。比較有代表性的有受援共振 (AR)系統(Parkin P H and Morgan K. “ Assisted resonance" in the royal festival hall, london. J. Sound Vib.，1965 ；2 (1) :74_85·)，混響室立體混響系統(Harold B-M and Vincent Μ. Sound control techniquesfor the legitimate theatre and opera. Journal of the Audio Engineering Society, 1961 ；9(3) : 184-186.)，多通道混響(MCR) 系統(Franssen N V. Sur i' amplification des champs acoustiques. Acustica, 1968 ； 20 :315-323.)，聲學控制系統(ACS)，可變室內聲學系統(VRAS ；Poletti, M.，andEllison， S.Control of early and late energy in rooms with the variable room acoustics system. J. Acoust. Soc. Am. 114，(2003). 2341.)，擴展多通道(EMCR)系統。而迄今為止國內 外尚未查到相關技術的發明專利。以上這些系統都僅能夠改變空間內的混響時間，并不能準確地模擬出一個復雜結 構的聲學空間中所特有的聲場，比如耦合空間。由于耦合空間能提供一種兼顧清晰度和混 響感的聲場，所以現代的廳堂設計中越來越多地引入了耦合空間的元素。但是引入的耦合 空間利用率很低甚至完全不可利用，帶來了較嚴重的空間資源浪費問題。本發明提出的可變室內聲學系統，能夠比較準確地在一個普通的空間中近似實現 出耦合空間中所具有的聲場分布，既能夠在設計時節省空間，又能夠獲得較好品質的聲場。
三.
發明內容
本發明的目的是提供一種可以在普通的矩形空間中，產生接近于耦合空間中的聲 場的系統。該方法先通過測量或者求解目標耦合空間中的聲場來獲得有源控制的目標量 P。，下標C意為耦合(coupled)。然后利用有源控制策略，在普通的矩形空間中，布放控制聲 源和誤差傳聲器，通過優化控制聲源的強度，使得矩形空間中原聲源、本發明所引入的控制 聲源產生的總聲壓逼近于原聲源在目標耦合空間中產生的聲壓P。。本發明是通過以下技術方案來實現的a)構建目標耦合空間的模型，其中包含聲源的子空間的結構與控制的對象空間相 同，利用模態展開的方法聯合兩個子空間在耦合開口上聲壓相等的條件，利用變分計算法， 求解獲得主子空間中的聲壓表達(即P。)，
速度分布，通過改變其中的Gb(與圖1中空間Vb的結構直接相關)可達到改變耦合子 空間結構的目的，以產生不同耦合聲場的效果；P是空氣密度，c是空氣中的聲波速 度，k為波數，Sw (r)是分布式聲源的強度，Sa和Sb分別為兩個子空間中的內表面積。
為含源子空間(圖丄中的Va空間)未與無源子空間(圖
1中的Vb空間)耦合時其中的聲壓。 Ga和Gb分別是兩個子空間中的格林函數，分別具有表達式
°本征函數Φη，本征值ηη和本征函數
的均值An分別為，
ril二 、
An =
其中， nx, ny, nz為偶數時，公式(8)中Lx，Ly和Lz的表達中分別取加號；nx，ny, nz為奇數 時，分別取負號。β x。和β xl為χ方向兩平行平面(分別對應χ = O平面和χ = 1平面)上 的比聲導納，i3y(1和β yl為y方向兩平行平面上的比聲導納，β Z(1和β zl為ζ方向兩平行平 面上的比聲導納。b)在一個與目標耦合空間中的主子空間相同結構的普通矩形空間中，布放控制聲 源和誤差傳聲器。MX N個控制聲源以M行N列的形式布置于一個與目標耦合空間的耦合開 口平行且大小相同，距離λ/4的平面內；MXN個傳聲器以M行N列的形式布置于一個與目 標耦合空間的耦合開口平行且大小相同，距離λ/8的平面內，其中的λ為所控制的聲壓在
'經過優化，得到最優控制聲源強度為
(12) 本發明的特點是通過理論和數值求解目標耦合空間聲場的聲壓，或者通過在現 有耦合空間中直接測量的方法獲得需要布放誤差傳聲器處的聲壓，再利用有源控制的方 法，能夠較準確地在普通空間中實現耦合空間中的聲場分布。本發明相比于以前的混響控 制系統，目標更明確，實現準確，且可通過改變控制參數容易地實現不同結構目標耦合空間 的聲場。
最高頻率的波長。控制的目標為該總聲壓逼近目標耦合空間中相同位置的聲壓p。，代價函數為，^=IPpH-Pi-Pc I'=q>qi+q:b + qib4+c⑶其中，a= zX，b = Z:(Zpq廣pc)，c = (Zpqp-pc)*(Zpqp-pc) ;Pp 為初級聲源產生聲
壓的矩陣表達，Ps為控制聲源產生聲壓的矩陣表達，P。為當把初級聲源至于虛擬耦合空間 中時產生聲壓的矩陣表達。qp為初級聲源的強度矩陣，qs為控制聲源的強度矩陣。Zp為初 級聲源至誤差傳聲器的傳遞函數，Zs為控制聲源到誤差傳聲器的傳遞函數，它們有如下表 達，
四.
圖1目標耦合空間的示意圖，Va為有源子空間，Vb為無源子空間，Stl為耦合開口圖2普通矩形空間中有源控制系統的布放圖，該空間與圖1中的VaR度相同，取高 度ζ = 1. 5m的一個xy剖面，re為誤差傳聲器布放面，rs為控制聲源布放面，Cl為y = 2， ζ = 1. 5的觀察線，C2為χ = 4，ζ = 1. 5的觀察線。圖3沿著如圖2中的觀察線Cl方向的控制效果預測圖，橫軸為χ e
m，縱軸 為Cl線上的相對聲壓級(SPL)差。
五.
具體實施例方式下面結合實施例參照附圖對本發明進行詳細說明
O O O ··. O
Cql O O
0 0
Bn
O .·· O
Aoo
5
本發明實現的目標是在普通矩形空間產生為如圖1所示耦合空間中Va中的聲場。首先，按照公式(1-8)求得目標聲壓P。。本例中，^為主空間，聲源位于其中，其3 維尺寸為5 X 4X 3m3，其內壁比聲導納設定為i3a = 0. 07663+0. 06425i，換算成吸聲系數約 為0. 4。Vb為次空間，其內無聲源，一般用于調節Va中的聲學特性，比如聲場分布，混響時間 長短等。Vb的3維尺寸為7X4X3m3，其內壁比聲導納設定為β b = 0. 0322-0. 0383i，換算 成吸聲系數約為0.2。兩個子空間中間的分隔上，在正中央開有面積為IXlm2的耦合開口 S。，初級聲源位置固定在(1.0，1.0，1.0)m處。求得目標耦合空間中的聲壓分布后，取若干點布置誤差傳聲器，本例中選擇如圖2 中&平面上的9點，&平面與目標耦合空間中耦合開口大小相同，平行，且距離λ/8。控 制聲源分布于rs平面，距離耦合開口 λ/4。其中的λ為所控制的聲壓在最高頻率的波長。 圖2顯示為高度ζ = 1.5m的xy平面，Stl為虛擬目標耦合空間中耦合開口所在的位置，Cl 為沿χ方向穿越空間正中的觀察線。利用公式(12)，求得控制聲源的強度矩陣。按照如上條件，數值仿真獲得的控制效果預測圖如圖3所示。曲線為250Hz頻率 下，聲壓級沿著圖2中Cl曲線的分布圖，橫軸為沿著χ方向的Cl線，縱軸為標準聲壓級差， 方塊線為普通矩形空間中Cl線上的相對聲壓分布，三角線為目標耦合空間中Cl線上的相 對聲壓分布，空心圓線為在普通矩形空間中使用有源控制后的相對聲壓分布。可以看到耦 合空間的存在較大地抑制了空間中某些模態(或者叫振型)過于強烈而導致的聲壓分布周 期性起伏，對均勻化聲壓空間分布有幫助。故在普通空間中引入有源控制系統，構造虛擬耦 合空間，可以有效地控制矩形空間中的聲場，逼近存在耦合空間時的聲壓分布。
權利要求
虛擬耦合空間系統的設計，其特征是通過在普通的矩形空間中引入有源控制系統來實現一種新的可變室內聲學系統，使普通的矩形空間中產生類似于耦合空間中所具有的聲場，并且可通過改變控制參數模擬不同結構的耦合空間。包括以下步驟a)使用矩形空間中的格林函數和兩空間的耦合條件，求解獲得目標耦合空間中的聲場的聲壓，或者通過測量獲得一個已有耦合空間中的聲場的聲壓，并以此聲壓作為有源控制的目標；b)使用閉空間中的有源控制策略，布置控制聲源和誤差傳聲器，優化控制聲源強度。
2.如權利要求1所述的虛擬耦合空間系統設計方法，其特征在于，確定系統控制所要 達到的目標，即目標耦合空間中的聲場的聲壓，可通過理論模型預測獲得，也可通過在一個 實際的耦合空間中測量獲得，設為P。，下標c意為耦合(coupled)。
3.如權利要求1所述的虛擬耦合空間系統設計方法，其特征在于，確定閉空間中的有 源控制策略a)MXN個控制聲源以M行N列的形式布置于一個與目標耦合空間的耦合開口平行且大 小相同的平面內，兩者相距λ/4，λ為所要控制的聲壓的最高頻率；b)MXN個傳聲器以M行N列的形式布置于一個與目標耦合空間的耦合開口平行且大小 相同的平面內，兩者相距λ/8 ；c)以原矩形空間聲場的聲壓、控制聲源產生的總聲壓與如權利要求2所述的ρ。之差的 平方值作為代價函數對次級源強度進行優化，即令J = I Pp+Ps-Pc 12，其中Pp為原矩形空間中 的原有聲源產生的聲壓，Ps為該矩形空間中控制聲源產生的聲壓。
全文摘要
本發明公開了一種利用有源控制實現虛擬耦合空間的設計方法。由該種方法設計的虛擬耦合空間系統，可以在一個普通的矩形空間中，實現某種目標耦合空間中的聲場分布。該方法能用較小的成本實現耦合空間聲場，并且有較好的效果。
文檔編號G06F19/00GK101902680SQ201010216828
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月5日 優先權日2010年7月5日
發明者浦宏杰, 邱小軍 申請人:南京大學