一种声场定量重现控制系统的扬声器回放阵列控制信号的处理方法

摘要

本发明涉及一种声场定量重现的控制系统及其方法，属于声场重现及控制技术领域；该系统包括：扬声器回放阵列、采样阵列、多通道数模转换器、存储有信号处理程序的计算机和多通道数据采集卡；该方法包括：对目标声场进行采样：对采样信号进行频谱分析：通过傅里叶信号处理方法对目标声压信号进行频谱分析，得到该目标声压信号的频谱结构，提取频谱结构中每个频率成分的幅值和相位，将该目标声压信号转换到频域量：测量扬声器回放阵列对采样阵列的电声传递函数，基于传递函数识别方法求解扬声器回放阵列控制信号，将该控制信号输入回放扬声器回放阵列执行回放；该方法使得回放声场与目标声场误差较小。

主权项

一种声场定量重现控制系统的扬声器回放阵列控制信号的处理方法，该系统包括：扬声器回放阵列、采样阵列、多通道数模转换器、存储有信号处理程序的计算机和多通道数据采集卡；其中，采样阵列由多个传声器组成，位于扬声器回放阵列的中心区域；每个传声器为一个采样测点，每个传声器的输出端均与多通道数据采集卡的输入端相连，多通道数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连，计算机的输出端与多通道数模转换器相连，多通道数模转换器的输出端同时与扬声器回放阵列中的各扬声器的输入端和多通道数据采集卡的另一个输入端相连；其特征在于，该方法包括以下步骤：1)对目标声场进行采样：设在限定区域内布置M个采样测点，分别用x₁，x₂，x₃，…，x_M表示其空间位置，由此可获得目标时段内M个采样测点的目标声压信号[P_d(t)]_M×1，表示为：[P_d(t)]_M×1＝[P_d(x₁；t),P_d(x₂；t),...,P_d(x_M；t)]^T   (1)式(1)中t为时间变量，[·]^T表示矩阵的转置；2)对采样信号进行频谱分析：通过傅里叶信号处理方法对目标声压信号进行频谱分析，得到该目标声压信号的频谱结构，提取频谱结构中每个频率成分的幅值和相位，将该目标声压信号[P_d(t)]_M×1转换到频域量[P_d(f)]_M×1：[P_d(f)]_M×1＝[P_d(x₁；f),P_d(x₂；f),...,P_d(x_M；f)]^T   (2)式(2)中f为频率变量；3)测量扬声器回放阵列对采样阵列的电声传递函数：设扬声器回放阵列由L个扬声器组成，首先给1号扬声器一个已知信号激励，测量扬声器回放阵列11中的1号扬声器对采样阵列12中的第1个采样测点的电声传递函数，然后同步测量L通道数模转换器的输出端对应通道的电信号e(t)以及同时刻采用采样阵列的采样测点1处的声压信号p(t)，通过所述电信号e(t)和声压信号p(t)两个信号计算出1号扬声器对采样测点1的电声传递函数，依此类推，分别测量扬声器回放阵列上的L个扬声器对采样阵列上M个采样测点的电声传递函数，从而得到传递函数矩阵[H(x；f)]_M×L：采用分频段激励和测量，激励电信号e(t)中每个频率成分幅值均为A₀，如式(4)：其中f_k为频率变量、为相位变量；对激励电压信号e(t)进行傅里叶变换时进行整周期截取，计算传递函数H_lm(x；f)；依此，对每个扬声器分别进行传递函数的测量，可得到传递函数矩阵[H(x；f)]_M×L；4)基于传递函数识别方法求解扬声器回放阵列控制信号，设扬声器回放阵列输入控制信号中f频率分量由表示，则声场控制系统模型如式(7)所示：${\left[H(x;f)\right]}_{M\times L}·{\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\times 1}={\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\times 1}---\left(7\right)$使用最小误差平方法求解使得$\left|\right|{\left[H(x;f)\right]}_{M\times L}·{\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\times 1}-{\left[P_d\left(f\right)\right]}_{M\times 1}\left|\right|$最小，得到正则化最小误差平方的扬声器回放阵列控制信号f频率分量如式(8)所示：${\left[\hat{e}\left(f\right)\right]}_{L\times 1}{[{{\left[H(x;f)\right]}_{M\times L}}^T{\left[H(x;f)\right]}_{M\times L}+\mathrm{\lambda I}]}^{-1}{{\left[H(x;f)\right]}_{M\times L}}^T{{[P}_d\left(f\right)]}_{M\times 1}---\left(8\right)$式(8)中λ为正则化参数，I为单位矩阵，[·]^‑1表示矩阵的逆；将各个频率分量的扬声器回放阵列控制信号叠加即可得到最后总的扬声器回放阵列控制信号5)将步骤4)中求解得到的控制信号输入回放扬声器回放阵列执行回放，即实现对目标声场的重现。