用于实现多区域音量差异的声重放方法及系统

摘要

本发明公开了一种用于实现多区域音量差异的声重放方法及系统。一种用于实现多区域音量差异的声重放方法，依次包括如下步骤：S1、设定声重放区域Z

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于实现多区域音量差异的声重放方法及装置。

背景技术

随着生活水平的提高，电视机已经成为家庭娱乐生活的中心。结合图1所 示，在多位家庭成员通过同一电视机同时观看节目时，音量不能够满足所有用 户的需求，时常遇到某些用户感受到的音量过大或过小的问题。这是由于人耳 的听力阈值会随着年纪增大而增加，因此不同年纪的人对音量的需求不一样， 即使是相同年龄的人，也会因为对声音敏感程度不一样，也存在对音量感知的 不同。一般电视机自带的音响是双声道，无法满足处于不同区域的用户对音量 的不同需求。目前的soundbar音响虽然采用了阵列形式，但其主要目的为音质 优化，并不具备在不同区域产生不同音量以同时满足多个使用者音量需求的功 能。专利CN103379406A虽然提到了多个窄边框电视机的音响组成阵列，利用波 束形成将声音聚集在用户区域，但其并未实现不同区域不同音量，另一方面扬 声器阵列总会存在各式各样的误差，此误差的存在会极大的降低系统的性能。

针对现有的音响并没有提供多区域音量差异的功能，同时也没有提供策略 去克服系统误差的缺陷，需要寻找简便有效的方法来提供多区域不同音量的功 能，同时提供有效方法来克服由于系统的随机误差干扰引入的性能下降问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于实现多区域音量差异的声重 放方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于实现多区域音量差异的声重放方法，其特征在于，依次包括如下 步骤：

S1、设定声重放区域Z₁、Z₂...、Z_N的控制点，其中N≥2；

S2、以区域Z₁的目标音量等级l₁为参考，设定区域Z₂...、Z_N的目标音量等级分别为 l₂...、l_N，并设定区域Z₁、Z₂...、Z_N内控制点处的目标响应向量分别为d₁、d₂...、d_N；

S3、获取扬声器阵列到区域Z₁、Z₂...、Z_N控制点的传递函数矩阵G₁、G₂...、G_N；

S4、对传递函数矩阵G₁、G₂...、G_N加入预设的随机误差干扰获得带有随机误差干扰的 传递函数矩阵

S5、进行最优化处理计算出扬声器阵列的权重向量w。

优选地，步骤S1中，布放扬声器阵列后，设定声重放区域的控制点。

优选地，步骤S2中，目标响应向量满足如下条件：

$d_i^H{d}_i={10}^{l_i/10}{d}_1^H{d}_1,i=1···N,$

其中(d_i)^H为取向量d_i的共轭，(d₁)^H为取向量d₁的共轭。

优选地，步骤S3中，传递函数矩阵通过声学仪器诸如B&K、AP等或通过数值建模软 件诸如comsol等获得。

优选地，所述随机误差干扰包括乘性随机误差干扰、加性随机误差干扰中的一种或两种。

更优选地，步骤S4中，带有随机误差干扰的传递函数矩阵满足如下条件：

${\tilde{G}}_i=G_i\otimes {\tilde{G}}_{\mathrm{mei}}+{\tilde{G}}_{\mathrm{aei}},i=1···N,$

其中表示矩阵点乘，和分别为乘性随机误差干扰和加性随机误差干扰。

进一步地，乘性随机误差干扰的表达式为：

加性随机误差干扰的表达式为：

其中，S为扬声器的个数，P_i为Z_i区域的控制点个数，和分别是第s个扬声器 到Z_i区域中第p_i个控制点处的带有随机误差干扰的传递函数的预设乘性随机误差干扰的幅 值和相位，和分别是第s个扬声器到Z_i区域中第p_i个控制点处的带有随机误差干扰 的传递函数的预设加性随机误差干扰的幅值和相位。

更进一步地，所述乘性随机误差干扰的幅值互相独立，相位互相独立，且幅值 与相位互相独立；所有幅值的概率分布相同，所有相位的概率分布分布相 同。

更进一步地，所述加性随机误差干扰的幅值互相独立，相位互相独立，且幅值 与相位互相独立；所有幅值的概率分布相同，所有相位的概率分布相同。

优选地，步骤S5中，最优化处理的问题为：

$\left(\begin{array}{cc}\underset{w}{\min }& \end{array},E,\{,{\left|\right|\widetilde{\mathrm{Gw}}-d\left|\right|}_2^2\right)\},$

其中，$\tilde{G}=[{\tilde{G}}_1;{\tilde{G}}_2···;{\tilde{G}}_N],d=[d_1;d_2···;d_N],E\left\{{\left|\right|\tilde{G}w-d\left|\right|}_2^2\right\}$为取的期望值， 为的二范数的平方，所述权重向量w为该问题的最优解。

更优选地，所述权重向量w通过如下步骤获得：

S501、计算矩阵Q₁，Q₁的表达式为：

其中G＝[G₁；G₂···G_N]，${\sigma }_{\mathrm{me},b}={\int \left(b_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{me}}\right)}^2{f}_{b^{\mathrm{me}}}d\left(b_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{me}}\right),$${\mu }_{\mathrm{me},b}={\int b}_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{me}}{f}_{b^{\mathrm{me}}}d\left(b_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{me}}\right),$${\sigma }_{\mathrm{me},\theta }=\int \int e^{j({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_1}^{\mathrm{me}}-{\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_2}^{\mathrm{me}})f_{{\theta }^{\mathrm{me}}}d\left({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_1}^{\mathrm{me}}\right)d\left({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_2}^{\mathrm{me}}\right),}$为乘性随机误差干扰幅值的概率密度函数， 为乘性随机误差干扰相位的概率密度函数；

S502、计算矩阵Q₂，Q₂的表达式为：

其中${\sigma }_{\mathrm{ae},b}={\int \left(b_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{ae}}\right)}^2{f}_{b^{\mathrm{ae}}}d\left(b_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{ae}}\right),$${\sigma }_{\mathrm{ae},\theta }=\int \int e^{j({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_1}^{\mathrm{ae}}-{\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_2}^{\mathrm{ae}})f_{{\theta }^{\mathrm{ae}}}d\left({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_1}^{\mathrm{ae}}\right)d\left({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i_2}^{\mathrm{ae}}\right),}$为加性随机误差干扰幅值的概率密度函数，为加性随机误 差干扰相位的概率密度函数；

S503、计算矩阵Q₃，Q₃的表达式为；

其中Re{}表示取复数的实部，${\mu }_{\mathrm{me},\theta }=\int e^{j{\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{me}}}{f}_{{\theta }^{\mathrm{me}}}d\left({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{me}}\right),{\mu }_{\mathrm{ae},\theta }=\int e^{-j{\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{ae}}}{f}_{{\theta }^{\mathrm{ae}}}d\left({\theta }_{{\mathrm{sp}}_i,i}^{\mathrm{ae}}\right),$G_p,s是矩阵G的第p行第s列元素，

S504、计算矩阵Q₄，Q₄的表达式为；

Q₄＝μ_me,bμ_me,θG；

S405、根据矩阵Q₁、Q₂、Q₃和Q₄获得权重向量w，w的表达式为；

$w={(Q_1+Q_2+Q_3)}^{-1}{Q}_4^{H}d.$

一种用于实现所述的声重放方法的声重放系统，包括：

布放模块，指定扬声器阵列的各扬声器位置以及声重放区域Z₁、Z₂...、Z_N控制点的位 置；

目标音量设定模块，以区域Z₁的目标音量等级l₁为参考，设定区域Z₂...、Z_N的目标音量 等级分别为l₂...、l_N，并设定区域Z₁、Z₂...、Z_N内控制点处的目标响应向量分别为 d₁、d₂...、d_N；

传递函数矩阵获取模块，获取扬声器阵列到区域Z₁、Z₂...、Z_N控制点的传递函数矩阵 G₁、G₂...、G_N；

预设随机误差干扰模块，对传递函数矩阵G₁、G₂...、G_N加入预设的随机误差干扰获得 带有随机误差干扰的传递函数矩阵

权重向量计算模块，进行最优化处理计算出扬声器阵列的权重向量w。

本发明采用以上结构，相比现有技术具有如下优点：

A、本发明提供的用于实现多区域音量差异的声重放方法及装置，可以同时 为不同区域用户在收听同一音源时提供不同的音量大小，克服了同一音源时， 由于耳朵灵敏度差异导致不同用户感知音量大小不同的问题，提高了多位用户 收听同一音源时的舒适性。

B、本发明提供的用于实现多区域音量差异的声重放方法及装置，可以动态 调节各区域之间的音量差异，从而在不改变硬件配置的情况下，满足了不同受 众对音量大小的需求，进一步增强了灵活性，改善了用户体验。

C、本发明提供的用于实现多区域音量差异的声重放方法及装置，采用对传 递函数矩阵加入预设的随机误差干扰的策略,通过最优化在所有随机误差干扰 下均方误差的平均值，达到在任意误差条件下，都具有较小的均方误差，降低 了对系统误差的灵敏度，提高了对系统误差的抗干扰性。

附图说明

图1为本发明的一种应用场景，即多人同时使用同一电视机的示意图；

图2为本发明的声重放方法的信号流程图；

图3为本发明的仿真配置示意图；

图4为本发明实施例一的声重放结果示意图；

图5为非鲁棒性方法与本发明实施例二所采用的鲁棒性方法的声重放结果 对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点 和特征能更易于被本领域的技术人员理解。

实施例1

图2所示为本发明的声重放方法，图3所示为本实施例的应用场景。结 合图2和图3所示，步骤S1：布放扬声器阵列，本实施例中采用包括8个呈直 线排列的扬声器单元，即线性阵列；在其它的实施中，扬声器阵列还可采用圆 形阵列、随机阵列等。相邻两个扬声器单元的间距为4cm，两末端的扬声器单 元的间距为28cm，以与1200Hz声波在空气中的波长相近。根据用户个数，本 实施例划分了两个待声重放的区域，即区域Z₁和Z₂，两个区域的中心位置分别位于 扬声器阵列中垂线的左右各20°的方位，且与扬声器阵列的中心位置的间距均为1.5m，且 与扬声器阵列位于同一水平面上；具体地，两个区域均基本呈弧形，且位于同一个圆上，该 圆以扬声器阵列的中心位置为圆心且半径为1.5m，两个区域的圆心角均为20°，区域Z₁和 Z₂均等间隔取20个控制点，任意两个相邻控制点间隔1°，声波频率范围为100～4000Hz。

实施例一的环境为自由声场，且预设的乘性误差恒为1，加性误差恒为0， 即不存在随机误差干扰，是本发明的声重放方法的一种特例。经过步骤S2-S5 对区域Z₁和Z₂进行声重放。具体地，设定区域Z₁各控制点处的音量等级l₁预设为参 考0dB，区域Z₂控制点处的音量均为l₂分别取3dB、6dB、10dB，此处l₂即为预设的区域Z₂和区域Z₁之间的音量差异，采用求解步骤S501、S502、S503、 S503、S504、S505对基于鲁棒性的最小二乘准则最优问题求解， 获得权重向量w，并根据该权重向量w对上述8个扬声器单元的幅度和相位进行控制。

观察实际取得区域Z₂和区域Z₁之间的音量差异。图4给出了当l₂分别取 3dB、6dB、10dB时，区域Z₂和区域Z₁之间的音量差异随频率的变化关系，结合 图4所示，本发明的声重放方法在整个频率范围内基本都能取得预设的音量差 异。

本实施例的声重放系统包括：

布放模块，指定扬声器阵列的各扬声器位置以及声重放区域Z₁、Z₂...、Z_N控制点的位 置；

目标音量设定模块，以区域Z₁的目标音量l₁为参考，设定区域Z₂...、Z_N的目标音量分别 为l₂...、l_N，并设定区域Z₁、Z₂...、Z_N内控制点处的目标响应向量分别为d₁、d₂...、d_N；

传递函数矩阵获取模块，获取扬声器阵列到区域Z₁、Z₂...、Z_N控制点的传递函数矩阵 G₁、G₂...、G_N；

预设随机误差干扰模块，对传递函数矩阵G₁、G₂...、G_N加入预设的随机误差干扰获得 带有随机误差干扰的传递函数矩阵

权重向量计算模块，进行最优化处理计算出扬声器阵列的权重向量w。

实施例2

本实施例基本同实施例一，区别仅在于：本实施例的声场中存在扰动误 差，其中，乘性随机误差干扰幅度在[0.5,1.5]区间范围内均匀分布，相位在 [-10°,10°]区间范围内均匀分布；加性随机误差干扰幅度在[0,0.5]区间范 围内均匀分布，相位在[-180°,180°]区间范围内均匀分布。

图5为非鲁棒性方法与本实施例所采用的鲁棒性方法的声重放结果对比 示意图，其中预设的音量等级差异为6dB。非鲁棒性方法中，不考虑扰动误差 因素；本实施例的声重放方法采用鲁棒性方法，考虑扰动误差干扰，声场的扰 动误差干扰即为本发明的随机误差干扰。结合图5所示，当声场存在随机误差 干扰时，非鲁棒性方法性能急剧下降，两个区域间几乎不存在音量差异，而采 用本发明的鲁棒性方法，实际音量差异与预设的音量差异基本一致。

本发明不仅考虑了乘性误差也考虑了加性误差，且不需要对误差概率分 布函数做复杂性约束，适用的范围更广泛，同时计算过程中仅需知道少量的误 差概率模型参数，计算方便。本发明可以通过调整少量的误差概率模型参数， 让系统适应不同的误差环境，从而增强了系统灵活性，简化了系统配置。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其 目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此 限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。