專利名稱：基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種揚聲器陣列聲場控制方法和裝置，特別涉及一種基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法和裝置。
背景技術：
在大型廳堂、體育場館、露天廣場、火車站和飛機場等大空間視聽場所，傳統的基于多個揚聲器分離放置的聲重放系統，由于多個揚聲器所輻射空間聲場存在著較為嚴重的干涉效應，會造成多揚聲器所疊加聲場在空間上出現較多的峰谷點，特別隨著輻射信號頻率的增加，這種疊加聲場空間分布的不均勻特征將更為嚴重。為了解決大空間場所的聲場均勻覆蓋問題，基于多個揚聲器單元的陣列系統設計已成為大型場所擴聲系統的研發熱 點。近年來，許多學者及音響工程師都致力于揚聲器陣列系統的設計研發，期望通過對陣列的形狀、通道延時、通道幅度及相位等物理參數的調整，以改善陣列空間輻射聲場的分布特性——擴大陣列輻射聲場的覆蓋范圍并提高陣列輻射聲場分布的均勻化程度。為了改善揚聲器陣列在寬頻帶大空間范圍內的聲場分布特性，許多設計方法和實現裝置已經出現在文獻中,這些研究成果如下
文獻 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.——提出了通過使用電學或聲學濾波器裝置，濾除掉部分揚聲器單元的高頻成份，以改善揚聲器陣列整體的空間輻射聲場特性。文獻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.——提出按照對數間距布放揚聲器陣列的方法，以提高陣列空間輻射聲場的均勻程度。文獻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
數的數值大小來設置陣列各揚聲器單元的聲壓輻射強度，從而改善陣列輻射聲場的均勻特性。文獻 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函數的特性調整陣列各揚聲器單元的聲壓輻射強度，從而在提高聲場均勻程度的同時也改善了其相位特性。文獻5—沈勇，江超，徐小兵，張素珍，利用二次剩余序列設置揚聲器陣列的方法和裝置，專利申請號200410044849. 5，授權公告號CN 100521817C。——提出利用二次剩余序列的特性來優化揚聲器陣列的空間輻射聲場，按照二次剩余序列的比例關系調整各揚聲器陣元通道的信號延時大小，以提高聲場均勻程度。
文獻6—沈勇，安康，歐達毅，利用二次剩余序列相位延遲設置揚聲器陣列的方法和裝置，專利申請號200610096523. 6，授權公告號CN 1929696 B。——提出按照二次剩余序列的比例關系來調整各揚聲器陣元通道的相位大小，以改善聲場均勻特性。文獻1-4所提出的基于改變陣列形狀或調整陣元通道幅度的這些方法，雖然都能夠改善聲場的均勻程度，但是這些方法的物理實現都較為復雜，聲重放系統的輻射效率較低，實用性差。文獻5所提出的基于二次剩余序列的通道延時控制方法，對陣列寬帶范圍的聲場有一定的改善作用，但是隨頻率變化時陣列的空間方向圖存在較為明顯的改變，在某些頻率點處輻射聲場存在著較嚴重的不均勻特性。文獻6所提出的基于二次剩余序列的通道相位延遲控制方法，較文獻5所述方法有一定的改進，減小了陣列隨頻率變化所引起的空間聲場變化程度，陣列在寬頻帶、大空間范圍內的聲場均勻性得到了進一步提高。文獻6所提出的基于二次剩余序列調整通道相位延遲的方法，物理實現簡單，聲 場均勻程度的改善較為明顯，但是這種僅利用一個與陣元數相等的特定二次剩余序列所設計出的陣列相位延遲矢量雖然達到了改善聲場的效果，但是并不是最優的陣列相位延遲矢量。文獻6并沒有進一步考慮通過擴大二次剩余序列的覆蓋范圍來優化陣列相位延遲矢量的聲場改善效果，并沒有嘗試使用多組不同二次剩余序列的組合來提高二次序列對陣列聲場均勻特性的改善能力，因此并沒有將二次剩余序列對陣列聲場的改善作用完全發揮出來，仍然可以通過多種二次剩余序列的組合特性來提高其對陣列聲場均勻特性的改善能力。針對現有基于單個特定二次剩余序列的相位延遲控制方法，在揚聲器陣列空間輻射聲場改善方面所存在的性能有限、優化程度不足等問題，有待于研究通過擴大二次剩余序列的覆蓋范圍，借助多組不同二次剩余序列的組合來優化設計陣列的相位延遲矢量，以提高陣列在寬頻帶、大空間范圍內所輻射聲場的均勻程度。
發明內容
本發明的目的是克服現有基于單個特定二次剩余序列在陣列聲場改善方面所存在的性能有限、優化程度不足等問題，提出了一種基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法和裝置。為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下一種基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，包括如下步驟
(1)將指定二次剩余序列按照陣元數進行切塊，產生多個二次剩余子序列；
(2)利用這些子序列設計出最優的陣列相位延遲矢量；
(3)按照最優的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進行相位延遲調整；
(4)將延遲調整后的多通道信號送至多通道功率放大器，以驅動揚聲器陣列產生均勻聲場。進一步地，步驟I中指定二次剩余序列，該序列由如下公式產生 cN - n 2 mod AT ，
其中cn為指定二次剩余序列的第n個元素，N為序列長度，mod表示取模。更進一步地，步驟I中指定二次剩余序列，其序列長度N大于陣元數L，序列長度N的最小取值Nmin大于10XL。進一步地，步驟I中將指定二次剩余序列按照陣元數進行切塊，產生多個二次剩余子序列，其具體實現流程如下
設指定的二次剩余序列表達式為
cM ~ [crI C2 CmT >
按照陣元數L對二次剩余序列4進行切塊，生成M(N>MXL)個子序列，經序列分割后，序列％可以由二次剩余子序列表示為
.—J.lf r(2ff
"Li -I " cI ，
其中為序列分割后產生的第i個二次剩余子序列，可以表示為
(j) r (!) ⑴(ij
cL = b(2-l)Z+l C{i-l)Z+2 …Cii-l)￡+￡ I，
更進一步地，步驟2中利用這些子序列設計出最優的陣列相位延遲矢量，其具體實現流程如下
由第i個長度為L的二次剩余子序列構造用于陣元數為L的陣列相位延遲控制矢量#為
其中為對應于第I個陣元的相位延遲量，其表達式為
￠1 5 = C(Z-I)L-U X 為，
其中_為相位延遲常量，其表達式為
爲=2n/N ;
將由多個二次剩余子序列構造的陣列相位延遲矢量進行組合，假設按照二次剩余子序列的序號i由41〗、42>、…、組合形成的二次剩余序列的組合序列為,其表達式為 4uj}=l4” 425 4"!J
其中I彡K彡M，由二次剩余序列的組合序列構造的陣列相位延遲矢量為 …&,其表達式
權利要求
1.一種基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，包括如下步驟 (1)將指定二次剩余序列按照陣元數進行切塊，產生多個二次剩余子序列； (2)利用這些子序列設計出最優的陣列相位延遲矢量； (3)按照最優的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進行相位延遲調整； (4)將延遲調整后的多通道信號送至多通道功率放大器，以驅動揚聲器陣列產生均勻聲場。
2.根據權利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟I中所述的指定二次剩余序列，該序列由如下公式產生
3.根據權利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟I中所述的指定二次剩余序列，其序列長度N大于陣元數L，序列長度N的最小取值Nmin大于10XL。
4.根據權利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟I中所述的將指定二次剩余序列按照陣元數進行切塊，產生多個二次剩余子序列，其具體實現流程如下 設指定的二次剩余序列表達式為
5.根據權利要求4所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟2中所述的利用這些子序列設計出最優的陣列相位延遲矢量，其具體實現流程如下 由第i個長度為L的二次剩余子序列
6.根據權利要求I所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法，其特征在于步驟3中所述的按照最優的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進行相位延遲調整，在DSP或者FPGA等數字信號處理器內部按照最優的相位延遲矢量的數值，利用數字相位延遲方法實現對多陣元通道的相位延遲調整。
7.一種基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于它包括聲源(I)、與所述最優相位延遲控制器3的輸入端相連接的用于計算陣列在寬頻帶大空間范圍內實現均勻聲場控制的最優相位延遲矢量的最優相位延遲估計器(2)、分別與所述聲源(I)和最優相位延遲估計器(2)的輸出端相連接的用于將所述最優相位延遲估計器(2)所計算的最優相位延遲矢量加載到揚聲器陣列的各陣元通道上并按照最優相位延遲矢量調整各陣元通道的相位延遲量的最優相位延遲控制器(3)、與所述最優相位延遲控制器(3)的輸出端相連接的用于對相位延遲調整后的多通道信號進行功率放大以實現對驅動揚聲器陣列的驅動的多通道功率放大器(4)、與所述多通道功率放大器(4)的輸出端相連接的用于將相位延遲調整后的電功率信號轉換為空氣振動信號以達到改善陣列輻射聲場均勻程度的效果的揚聲器陣列(5 ),所述的聲源(I)為系統待重放的聲信息。
8.根據權利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的聲源(I)為各種模擬裝置所產生的模擬音源信號、各種數字裝置所產生的數字編碼信號、無線發射裝置傳送來的廣播信號并通過無線接收器進行接收和解調獲得用戶指定的聲源信號中的一種或幾種的組合。
9.根據權利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的最優相位延遲估計器(2)，使用陣列建模和最小值搜索的方法的信號處理流程如下 (O首先，輸入指定的二次剩余序列的長度，按照設定的序列長度生成二次剩余序列，按照與陣元數相等的序列長度對指定二次剩余序列進行分塊，產生二次剩余子序列；然后對二次剩余子序列依次進行組合，生成多個組合序列，最后由多個組合序列分別生成相應的多個相位延遲矢量；輸入用于聲場建模的已知參數陣元數、陣元間距、揚聲器口徑、離散化頻點矢量、陣元位置、觀察點位置，利用這些參數建立揚聲器陣列空間輻射聲場的計算模型； (2)依次在每個頻點處利用多個相位延遲矢量分別控制陣列延遲，計算出每個延遲矢量控制時陣列在觀察區域的聲壓幅度矢量，接著依次在每個頻率點處分別計算多個相位延遲矢量控制時陣列在觀察區域聲壓幅度矢量的方差估計值序列； (3)在每個頻率點處搜素方差估計值序列的最小值，并記錄最小值所對應的序列索引號，然后將所有頻率點搜索所得到的各索引號進行平均和取整操作，獲得索引號的平均值，利用索引號的平均值計算出用于寬帶聲場均勻化控制的最優相位延遲矢量。
10.根據權利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的最優相位延遲估計器(2)，按照方差序列最小值所處的經驗性區域范圍來確定索引號的位置。
11.根據權利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的最優相位延遲控制器(3)，根據有限脈沖響應濾波器的線性相位特性，通過設計合適的濾波器系數，實現陣列多通道寬帶信號的相位延遲操作。
12.根據權利要求7所述的基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制裝置，其特征在于所述的多通道功率放大器(4)，為多通道的AB類或者D類功率放大器。
全文摘要
本發明公開了一種基于二次剩余序列組合的揚聲器陣列聲場控制方法和裝置。該方法包括(1)將指定二次剩余序列按照陣元數進行切塊，產生多個二次剩余子序列；(2)利用這些子序列設計出最優的陣列相位延遲矢量；(3)按照最優的相位延遲矢量控制多陣元通道的傳輸信號進行相位延遲調整；(4)將延遲調整后的多通道信號送至多通道功率放大器，以驅動揚聲器陣列產生均勻聲場。該裝置包括聲源、最優相位延遲估計器、最優相位延遲控制器、多通道功率放大器、揚聲器陣列。本發明能夠有效擴展陣列空間輻射聲場的覆蓋范圍，提高陣列空間輻射聲場的均勻程度，且聲場控制方法的硬件實現簡單，滿足了陣列擴聲系統對聲場空間分布品質的要求。
文檔編號H04R1/40GK102711015SQ20121016995
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者馬登永 申請人:蘇州上聲電子有限公司