一种面向目标的声辐射生成方法技术

本发明专利技术公开了一种面向目标的声辐射生成方法，是基于对统一的声场模型进行声辐射模式分析而提出的声辐射生成方法，包括步骤：１）建立面向目标的由声辐射模式构成的分析模型；２）通过分析声辐射模式，搜寻最大、最小增益模式；３）计算出相应于最大（或最小）增益模式的向量，并用之于输入端声源阵列的各个单元的输入信号，得到声场控制系统的解。本发明专利技术将制造个性化聆听声场和控制噪声的研究统一在声场控制的框架内、注重结构与控制系统两者之间的整体有机性、能够面向目标的生成声辐射。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声场控制方法，特别涉及。
技术介绍
在21世纪，科技的发展正朝着以人为本的人性化科技(Human-centeredTechnology，简称HT)迈进。随着人们生活质量的不断提高，许多方面都需要声学技术的服务。而声场控制的研究因其广泛的应用背景和知识创新的潜能，成为现代声学最为活跃的热点之一。声场控制的研究，主要是针对两种情形，即如何控制噪声以改善人居声环境和如何制造出个性化的声学空间提供给人们所需要的听觉享受。对于前者，从传统的噪声控制技术—无源方法到现代的有源消噪法，进展迅速。尤其是近30年，有源噪声控制成为声学，特别是噪声控制中发展最快的一个分支，取得不少成果，如文献1《现代声学理论基础》，马大猷，北京科学出版社，2004年3月。从噪声控制的物理机制、控制方式的选取和控制系统(包括算法、硬件、次级源和传感器)的实现，科研工作者进行了大量的工作，并在20世纪80年代中期到90年代中期达到高潮。尽管如此，相比无源噪声控制方法，有源控制技术应用在实际场合的例子，并不多见。影响它在工程中推广的因素之一，就是控制系统中次级源和传感器布放的个数和位置等缺乏灵活性，做不到“因地制宜”。更为关键的是，过于对最优控制(最大降噪量下的理论优化)效果的注重，往往带来算法结构的复杂性和较大的控制代价，系统的鲁棒性较差。它意味着要综合考虑声波的产生、传播和接收等环节的物理机制，提出相应的控制策略。从理论走向实用的过程，就必须兼顾控制效果、实现成本和人的感受等。如果说，有源噪声控制的目的是实现“无”(噪)声境界，聆听声场控制的目的就是制造“有”声环境。相对来说，后者则是更多地受到电声行业、音频工程和多媒体业者及其研发机构的关注。如何通过声源重放系统，听起来有声有色，且“声”临其境。对于涉及到声质量、主观评价等心理声学的内容在此将不做讨论。本专利技术涉及的是在特定区域产生声场的问题。目前，5.1通路系统作为环绕声的国际标准，已得到广泛应用。另一方面，考虑到实际空间的限制，特别是满足处于较小视听空间的聆听者的需要，仅仅利用两个声源(音箱)就能“虚拟”出环绕声的研发也已经开展。在产生“虚拟”声场的过程中，通过两只扬声器来虚拟多重声源，不仅需要为聆听者的每只耳朵重建声音信息，而且同时需要确保每只耳朵都无法接收到准备传递给另一只耳朵的信息。也就是说，左、右耳只分别听到来自左、右声道扬声器的信息。为了达到上述目的，关键的是对播放信号进行预处理以去除串音干扰(crosstalk)，即采用串音消除(crosstalk cancellation)的技术手段。这类似于有源噪声控制中逆滤波器的设计，在特定区域/点消除不需要的声，但实现起来却要比有源噪声控制技术困难得多。由于逆滤波器的设计是以获得最佳聆听位置(sweetspot)串音抵消为目标的，对控制精度的要求使得串音消除器(crosstalk canceller)即控制器的鲁棒性较差。聆听者的头部移动或控制器参数的稍有变化，都可能会破坏虚拟的声场和完整的声场信息。现有的技术或解决方案还是局限在狭小的听音范围，虚拟声重放的可靠性仍有待提高。分析消除串音干扰的过程，左、右耳只分别听到来自左、右声道扬声器的信息，其效果等同于两束具有指向性的声波传播。我们知道，在管道噪声有源控制的的偶极系统中，两只扬声器被用来组合成一个单指向性次级声源，既消除了次级声反馈的影响，又取得管道下游声场的控制。那么，如果能建立统一的声场分析的模型，就使得不同目标下的声辐射模式(radiationmode)有助于两种控制技术的交叉、融合和实际的应用。由现有的声场控制方法，可以看出有源噪声控制的目的是防止噪声干扰，产生声学上的“暗区”(acoustically dark zone)，即尽可能减少目标区域的噪声能量；聆听声场控制的目的是传送声波到特定的区域或方向，产生声学上的“亮区”(acoustically bright zone)，即在目标区域或方向集聚声能。从“无”到“有”，对应着多源系统基于“相反”目的下在目标区域实现的声场状态，是声场控制结果的“正、反”两面。它们的共同点是产生实现控制目的所需要的声波，不同点仅在于辐射模式的不同。长期以来，这两种情形的声场控制研究却是在各自的科研领域里得到发展。有鉴于此，本专利技术拟建立统一的声场模型，通过对声辐射模式分析，提出“面向目标”的声辐射生成方法(Target-oriented Acoustic RadiationGEneration Technique，简称TARGET)并应用于声场控制中。
技术实现思路
本专利技术的目的是在统一的理论框架下，建立面向目标的声辐射模式(，Target-oriented Acoustic Radiation Mode，简称TARM)，在面向目标的控制方法下，给出“亮区”或“暗区”的相应解决方案。为了实现上述目的，本专利技术采取下列技术方案，步骤如下1)建立面向目标的由声辐射模式(TRAM)构成的分析模型，包括如下步骤(1)将N个声源布放形成多输入多输出系统的输入端多声源；(2)对目标区域进行M个网格划分，在每个网格中放置“虚拟声传感器”对目标区域/方向离散采样，M个“虚拟声传感器”就形成多输入多输出系统的输出端多传感器；(3)由声源和虚拟传感器的位置、声辐射的频率和应用场合，确定声传递矩阵，即声辐射阻抗矩阵G和Hermitian矩阵R＝GHG，其中GH表示G的共轭转置；所述应用场合包括自由空间或封闭空间；在自由空间，G(rij)=-jωρ04πrije-jkrij,]]>其中rij是从第j个声源到第i个虚拟传声器的距离，k＝ω/c为波数，ρ0、c为介质(空气)的密度和声速；在封闭空间如矩形房间内，则有 其中，Kn＝LxLyLz/8，Lx，Ly和Lz分别是房间的长、宽、高，r→l=(xl,yl,zl)]]>和r→0=(x0,y0,z0)]]>分别是虚拟传感器和声源的位置，kn=π(nx/Lx)2+(ny/Ly)2+(nz/Lz)2,]]>n＝(nx，ny，nz)为非负整数，δn为阻尼常数， 表示在 处的本征函数；在其它形式的封闭空间内，如球形空间、柱形空间或锥形空间等，可以采用已知的现有技术如有限元法或实际测量声辐射下的传递函数等方法建立相应的声辐射阻矩阵G；2)通过分析声辐射模式(TRAM)，搜寻最大、最小增益模式假设要求的多声源强度和多传感器的声压分别是q＝[q1，q2，...，qN]T和P＝[p1，p2，...，PM]T，T表示向量的转置，定义系统的控制增益为传感器输出的功率和声源的输入功率之比 g(q)=EoutEin=qHRqqHq]]>其中，H表示共轭转置，R＝GHG是由声辐射阻抗G组成N×N的Hermitian矩阵；g(q)的极值代表系统对目标区域的声场控制能力，推导出对应极值的方程如下gq＝RqHermitian矩阵R的特征值就是函数g(q)的极值，而其特征向量就是对应的声源强度；根据上式，得到按降阶次序排列的N个特征向量q1，q2，...，qN和N个实的特征值g1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向目标的声辐射生成方法，步骤如下：１）建立面向目标的由声辐射模式构成的分析模型，包括如下子步骤：（１）将Ｎ个声源布放形成多输入多输出系统的输入端多声源；（２）对目标区域进行Ｍ个网格划分，在每个网格中放置“虚拟声 传感器”对目标区域／方向离散采样，Ｍ个“虚拟声传感器”就形成多输入多输出系统的输出端多传感器；（３）由声源和虚拟传感器的位置、声辐射的频率和应用场合，确定声传递矩阵，即声辐射阻抗矩阵Ｇ和Ｈｅｒｍｉｔｉａｎ矩阵Ｒ＝Ｇ↑［Ｈ］Ｇ，其中Ｇ ↑［Ｈ］表示Ｇ的共轭转置；２）通过分析声辐射模式，搜寻最大、最小增益模式；过程如下：假设要求的多声源强度和多传感器的声压分别是ｑ＝［ｑ↓［１］，ｑ↓［２］，…，ｑ↓［Ｎ］］↑［Ｔ］和Ｐ＝［ｐ↓［１］，ｐ↓［２］，…，ｐ↓［Ｍ］］↑［ Ｔ］，Ｔ表示向量的转置，系统的控制增益为：ｇ（ｑ）＝Ｅ↓［ｏｕｔ］／Ｅ↓［ｉｎ］＝ｑ↑［Ｈ］Ｒｑ／ｑ↑［Ｈ］ｑ其中，Ｈ表示共轭转置，Ｒ＝Ｇ↑［Ｈ］Ｇ是由声辐射阻抗Ｇ组成Ｎ×Ｎ的Ｈｅｒｍｉｔｉａｎ矩阵；ｇ（ｑ）的极值代表系统对 目标区域的声场控制能力，对应极值的方程如下：ｇｑ＝ＲｑＨｅｒｍｉｔｉａｎ矩阵Ｒ的特征值就是函数ｇ（ｑ）的极值，而其特征向量就是对应的声源强度；根据上式，得到Ｎ个特征向量ｑ↓［１］，ｑ↓［２］，……，ｑ↓［Ｎ］和Ｎ个实的特征值 ｇ↓［１］，ｇ↓［２］，…，ｇ↓［Ｎ］；对Ｎ个实的特征值按照大小顺序排列后，最大的特征值ｇ↓［１］＝ｇ↓［ｍａｘ］，ｑ↓［１］为最大增益模式，对应产生声场“亮区”；对应于最小的特征值ｇ↓［Ｎ］＝ｇ↓［ｍｉｎ］，ｑ↓［Ｎ］为最小增益模式，对应产生声场“暗区”；３）基于上述步骤２），计算出相应于最大增益模式的向量ｑ↓［１］或计算出相应于最最小增益模式的向量ｑ↓［Ｎ］，并用之于输入端声源阵列的各个单元的输入信号，得到声场控制系统的解。...

【技术特征摘要】
1.一种面向目标的声辐射生成方法，步骤如下1)建立面向目标的由声辐射模式构成的分析模型，包括如下子步骤(1)将N个声源布放形成多输入多输出系统的输入端多声源；(2)对目标区域进行M个网格划分，在每个网格中放置“虚拟声传感器”对目标区域/方向离散采样，M个“虚拟声传感器”就形成多输入多输出系统的输出端多传感器；(3)由声源和虚拟传感器的位置、声辐射的频率和应用场合，确定声传递矩阵，即声辐射阻抗矩阵G和Hermitian矩阵R＝GHG，其中GH表示G的共轭转置；2)通过分析声辐射模式，搜寻最大、最小增益模式；过程如下假设要求的多声源强度和多传感器的声压分别是q＝[q1，q2，...，qN]T和P＝[p1，p2，...，pM]T，T表示向量的转置，系统的控制增益为g(q)=EoutEin=qHRqqHq]]>其中，H表示共轭转置，R＝GHG是由声辐射阻抗G组成N×N的Hermitian矩阵；g(q)的极值代表系统对目标区域的声场控制能力，对应极值的方程如下gq＝RqHermitian矩阵R的特征值就是函数g(q)的极值，而其特征向量就是对应的声源强度；根据上式，得到N个特征向量q1，q2，...，qN和N个实的特征值g1，g2，...，gN；对N个实的特征值按照大小顺序排列后，最大的特征值g1＝gmax，q1为最大增益模式，对应产生声场“亮区”；对应于最小的特征值gN＝gmin，qN为最小增益模式，对应产生声场“暗区”；3)基于上述步骤2)，计算出相应于最大增益模式的向量q1或计算出相应于最最小增益模式的向量qN，并用之于输入端声源阵列的各个单元的输入信号，得到声场控制系统的解。2.根据权利要求1所述的面向目标的声辐射生成...

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