一种能够改善音质的声场聚焦方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种能够改善音质的声场聚焦方法，包括：布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述明区为具有高声能量的区域，所述暗区为具有低声能量的区域；设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量；根据各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，分别调整各个频率点上的扬声器阵列输入复权系数向量的幅度与相位；将每个扬声器通道上的各个频率点上的复权系数向量组成频率响应，对频率响应加窗，并进行逆傅里叶变换，得到各个通道的时域冲激响应信号。

【技术实现步骤摘要】
一种能够改善音质的声场聚焦方法及系统
本专利技术涉及声学领域，特别涉及一种能够改善音质的声场聚焦方法及系统。
技术介绍
随着生活水平的提高，诸如手机，笔记本，多媒体播放器等个人消费电子产品在生活中应用越来越广泛。用户通常通过耳机或者扬声器收听此类产品的声音，但是这会存在一些问题，长时间佩戴耳机不仅会使用户感觉不舒服，也会损伤用户听力，而采用扬声器则会打扰周围用户。采用扬声器阵列的个人音频系统可以有效解决此类问题。个人音频系统可以将大部分声能量聚集包含用户的区域，从而为用户营造出个性化的私人聆听空间。个人音频系统中最常用的控制机制是声能量对比控制方法。通过调整扬声器阵列各通道的输入信号相位和幅度，声场对比控制方法可以使得包含用户区域(称为明区)的声能量与其它非相关用户所在区域(称为暗区)的声能量之比最大，从而达到聚焦声场的效果。但是现有技术中的声能量对比控制方法只关注对比聚焦性能，并不关注在明区的音质问题，这可能会使用户听音感受下降，另一方面，在某些情况下，对比聚焦性能大于一定阈值以后，对人的主观聚焦感受影响不大，而此时更应该关注音质问题，以进一步提升用户的聆听感受。针对现有技术中的声能量对比控制方法中只关注聚焦性能而不关注音质性能的问题，需要寻找更为简便有效的方法来取得音质和对比聚焦性能的较好平衡。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的现有技术中的声能量对比控制方法中只关注聚焦性能而不关注音质性能的问题，从而提供一种能够改善音质的声场聚焦方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种能够改善音质的声场聚焦方法，包括：步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述明区为具有高声能量的区域，所述暗区为具有低声能量的区域；步骤2)、设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量；步骤3)、根据步骤2)得到的各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，分别调整各个频率点上的扬声器阵列输入复权系数向量的幅度与相位；步骤4)、将步骤3)得到的每个扬声器通道上的各个频率点上的复权系数向量组成频率响应，对频率响应加窗，并进行逆傅里叶变换，得到各个通道的时域冲激响应信号。上述技术方案中，在步骤1)中，所布放的扬声器阵列为线性阵列或圆形阵列或随机阵列。上述技术方案中，在步骤1)中，所述明区或暗区的区域形状是方形或圆形或线型。上述技术方案中，在所述的步骤2)中，设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数包括以下步骤：步骤2-1)、确定一频率点f，获得扬声器阵列分别到明区和暗区的控制点在频率f处的传递函数矩阵GB,f和GD,f，其大小分别为MB×L和MD×L，其中MB和MD分别是明区和暗区的控制点个数，L为扬声器个数；步骤2-2)、根据步骤2-1)得到的扬声器阵列分别到明区和暗区的控制点在频率f处的传递函数矩阵GB,f和GD,f，计算明区和暗区声能量之比的最大值Fmax,f；其中，其中λmax{·}是矩阵的最大特征值，δf为鲁棒性参数，其选取范围为大于0，I是单位矩阵，wf是在频率点f上的扬声器阵列输入复权系数向量；步骤2-3)、由步骤2-2)中明区和暗区声能量之比的最大值Fmax,f确定在频率点f上的最差对比聚焦性能参数Jmin,f的取值范围，其范围为(-∞,Fmax,f]。上述技术方案中，在所述的步骤2-1)中，采用B&KPULSE等音频测试仪器或者通过建模仿真获得扬声器阵列分别到明区和暗区的控制点在频率f处的传递函数矩阵GB,f和GD,f。上述技术方案中，在所述的步骤2)中，在频率点f上的明区中的目标向量用df表示，其大小为L×1，向量中的每个元素都相等且其值为任意值。上述技术方案中，所述的步骤3)包括以下步骤：步骤3-1)、利用步骤2)中设定的参数Fmax,f和df，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，列出如下最优问题：步骤3-2)、令展开步骤3-1)所得到的表达式，得到：其中Re{·}为取元素的实数部分；步骤3-3)、做如下定义：其中Im{·}为取元素的虚数部分；步骤3-4)、将步骤3-3)中所定义的表达式代入步骤3-2)所得到的表达式，从而将步骤3-2)中的表达式转换为实数问题，并舍弃常数项得到如下表达式：s.t.xTH2x≤0(4)步骤3-5)、由步骤3-4)所得到的表达式所描述最优问题的Lagrangian对偶问题为：其中ζ(x,λ)＝xTH1x-2yTx+λxTH2x；步骤3-6)、定义将步骤3-5)中所描述的对偶问题转化为如下形式，进而求解出x；步骤3-7)、将步骤3-6)所得到的x的值按步骤3-3)中所描述的表达式转化为最终解wf。上述技术方案中，在所述的步骤3-6)中，采用凸优化技术求出解x。上述技术方案中，在步骤4)中，所述窗函数为矩形窗或汉宁窗或者海明窗。本专利技术还提供了一种能够改善音质的声场聚焦系统，包括：扬声器阵列布放模块，用于布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述明区为具有高声能量的区域，所述暗区为具有低声能量的区域；参数初设定模块，用于设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量；输入复权系数向量调整模块，用于根据参数初设定模块得到的各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，分别调整各个频率点上的扬声器阵列输入复权系数向量的幅度与相位；时域冲激响应信号计算模块，用于将所述输入复权系数向量调整模块得到的每个扬声器通道上的各个频率点上的复权系数向量组成频率响应，对频率响应加窗，并进行逆傅里叶变换，得到各个通道的时域冲激响应信号。本专利技术的优点在于：1、本专利技术通过预设目标向量，采用均方最小误差准则，使得明区的频率响应逼近于理想的Dirac脉冲的频率响应，从而改善了明区的音质。2、本专利技术可以通过调节最差对比聚焦性能参数，在对比聚焦性能和音质之间取得一个较好的性能。3、本专利技术的改善音质的声场聚焦方法能够广泛应用于电视机，电脑和手机等个人音频领域，通过调节最差对比聚焦性能参数，在对比聚焦性能和音质之间可以取得一个较好的性能。附图说明图1是本专利技术的基于结合声能量对比控制和最小二乘法的改善音质的声场聚焦方法的流程图；图2是在一个实施例中，线性扬声器阵列的示意图；图3为本专利技术方法与现有技术中的声能量对比控制方法在不同频率点的对比聚焦性能的示意图；图4(a)为本专利技术方法在明区中心控制点处的冲激响应的示意图；图4(b)为现有技术中的声能量对比控制方法在明区中心控制点处的冲激响应的示意图。具体实施方式现结合附图对本专利技术作进一步的描述。本专利技术的基本思想是预设最差对比聚焦性能参数，在保证对比聚焦性能不低于此参数的情况下，利用预设的目标向量，使得明区的频率响应逼近于理想的Dirac-delta脉冲的频率响应，从而改善音质效果，并且可以通过调节最差对比聚焦性能参数取得对比聚焦性能和音质之间的平衡。参考图1，本专利技术的基于结合声能量对比控制和最小二乘法的改善音质的声场聚焦方法包括以下步骤：步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述明区为具有高声能量的区域，所述暗区为具有低声能量的区域；步骤2)、设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够改善音质的声场聚焦方法，包括：步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述明区为具有高声能量的区域，所述暗区为具有低声能量的区域；步骤2)、设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量；步骤3)、根据步骤2)得到的各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，分别调整各个频率点上的扬声器阵列输入复权系数向量的幅度与相位；步骤4)、将步骤3)得到的每个扬声器通道上的各个频率点上的复权系数向量组成频率响应，对频率响应加窗，并进行逆傅里叶变换，得到各个通道的时域冲激响应信号。

【技术特征摘要】
1.一种能够改善音质的声场聚焦方法，包括：步骤1)、布放扬声器阵列，设定明区和暗区的控制点；其中，所述明区为具有高声能量的区域，所述暗区为具有低声能量的区域；步骤2)、设定各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量；该步骤进一步包括：步骤2-1)、确定一频率点f，获得扬声器阵列分别到明区和暗区的控制点在频率f处的传递函数矩阵GB,f和GD,f，其大小分别为MB×L和MD×L，其中MB和MD分别是明区和暗区的控制点个数，L为扬声器个数；步骤2-2)、根据步骤2-1)得到的扬声器阵列分别到明区和暗区的控制点在频率f处的传递函数矩阵GB,f和GD,f，计算明区和暗区声能量之比的最大值Fmax,f；其中，其中λmax{·}是矩阵的最大特征值，δf为鲁棒性参数，其选取范围为大于0，I是单位矩阵，wf是在频率点f上的扬声器阵列输入复权系数向量；步骤2-3)、由步骤2-2)中明区和暗区声能量之比的最大值Fmax,f确定在频率点f上的最差对比聚焦性能参数Jmin,f的取值范围，其范围为(-∞,Fmax,f]；步骤3)、根据步骤2)得到的各个频率点上的最差对比聚焦性能参数和在明区中的目标向量，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，分别调整各个频率点上的扬声器阵列输入复权系数向量的幅度与相位；步骤4)、将步骤3)得到的每个扬声器通道上的各个频率点上的复权系数向量组成频率响应，对频率响应加窗，并进行逆傅里叶变换，得到各个通道的时域冲激响应信号。2.根据权利要求1所述的能够改善音质的声场聚焦方法，其特征在于，在步骤1)中，所布放的扬声器阵列为线性阵列或圆形阵列或随机阵列。3.根据权利要求1所述的能够改善音质的声场聚焦方法，其特征在于，在步骤1)中，所述明区或暗区的区域形状是方形或圆形或线型。4.根据权利要求1所述的能够改善音质的声场聚焦方法，其特征在于，在所述的步骤2-1)中，采用B&KPULSE等音频测试仪器或者通过建模仿真获得扬声器阵列分别到明区和暗区的控制点在频率f处的传递函数矩阵GB,f和GD,f。5.根据权利要求1所述的能够改善音质的声场聚焦方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，在频率点f上的明区中的目标向量用df表示，其大小为L×1，向量中的每个元素都相等且其值为任意值。6.根据权利要求5所述的能够改善音质的声场聚焦方法，其特征在于，所述的步骤3)包括以下步骤：步骤3-1)、利用步骤2)中设定的参数Fmax,f和df，结合声能量对比控制和最小二乘法准则，列出如下最优问题：步骤3-2)、令展开步骤3-1)所得到的表达式，得到：其中Re{·}为取元素的实数...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡野锋，吴鸣，杨军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11