CN103634726B

CN103634726B - 一种扬声器自动均衡方法

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Publication number: CN103634726B
Application number: CN201310674495.1A
Authority: CN
Inventors: 叶超
Original assignee: SHANGSHENG ELECTRONIC CO Ltd SUZHOU
Current assignee: Suzhou Sonavox Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: WO2015085924A1; CN103634726A

Abstract

本发明提供了一种扬声器自动均衡***，在全频段改善扬声器***的声重放性能。该方法包括：通过传声器测量房间内一个或多个位置点的脉冲响应，得到各位置点的频率响应与扬声器***的低频下限，利用自适应最优化算法得到均衡滤波器，对扬声器***进行补偿。对于低于扬声器***下限频率的低频信号，利用基于心理声学的基频缺失原理，产生基频信号的高次谐波成分，经增益控制后与经过延时的原始音频信号相迭加，提高扬声器***在全频段的声重放能力。

Description

一种扬声器自动均衡方法

技术领域

本发明涉及音频信号处理技术领域，具体涉及一种扬声器自动均衡***，目的在于校正房间中收听位置的频率特征，提高扬声器***的声重放能力，改善音质。更具体地，这种均衡方法包含虚拟低音增强技术，通过非线性产生低频成分的谐波分量，以提高低频成分的感知能力。

背景技术

理想的声重放***，在全频段应具有较平直的频率响应，但是在生产过程中由于制造工艺的限制，导致扬声器***并不能有理想的频率响应，而存在有一定的失真。另外一方面，由于房间模态的影响以及扬声器***与房间之间的相互作用，在聆听位置处不能完整的实现真实声重放。因此，需采用声场修正技术对扬声器***进行均衡，使得在一个或多个位置点处的频率响应接近理想的平直曲线，以保证原始信号的真实重放。

目前，现有的均衡技术有图示均衡器和参量均衡器，主要是一组级联的峰值或坡型滤波器，各个滤波器的中心频率对应于倍频程或1/3倍频程，通过调整各个滤波器的增益对该频段进行控制，从而实现对整个频段的修正。这种方法比较直观，实现简单，操作方便，但是需要对各个频段的声音特性有所熟悉，才能更为精确的调试，而且各个滤波器的级联迭加，易导致某些频率的幅度出现不可控情况。在更加实用的情况下，首先通过传声器测量扬声器***在一个或多个位置点的频率响应，然后根据测得的曲线进行均衡器设计，均衡器的形式为FIR（有限冲激响应）或者IIR（无限冲激响应）滤波器，对输入信号进行滤波，使得在各个位置点得到近似平直的频率响应。但是，由于低频段的频率分辨率较低，因此为了提高低频分辨率需要增加滤波器的阶数，增加了计算复杂度。另外，对于小口径扬声器单元，如果采用直接均衡的方法增大低频信号的能量，会导致重放信号畸变，甚至会损坏扬声器***。基于心理声学基频缺失原理的虚拟低音增强技术可以很好的解决这一问题，利用人耳获取声音的非线性作用，可以从主观上改善低频声的感知，提高小口径扬声器的低频重放能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种扬声器自动均衡方法，以补偿扬声器自身缺陷和房间的影响，控制音频信号响度特征，以提高各位置点处的声重放性能。

为了达到上述目的，本发明提供一种扬声器自动均衡方法，依次包括如下步骤：

1）利用传声器测量扬声器***电输入信号到房间中多个位置点的传递函数；

2）根据多个位置点的加权关系确定多个传递函数的原型函数；

3）设计原型函数的均衡滤波器；

4）由原型函数确定扬声器***的低频下限频率，并对原始输入信号进行低通滤波，得到低于下限频率的低频基频信号；

5）利用非线性算法产生低频基频信号的高次谐波信号；

6）高次谐波信号经动态范围控制后，与经过延时的原始输入信号迭加后馈给均衡滤波器；

7）均衡滤波器输出信号经功率放大器后驱动扬声器单元。

进一步地，步骤1）中所述测量扬声器***传递函数的方法可以采用扫频信号或最大长度序列（MLS），或其它脉冲响应测量方法。所选取的测量位置点应该是房间中优选的收听位置，或者覆盖优选的收听区域，例如家庭影院或者汽车内部各个座位位置。

进一步地，步骤2）中所述确定多个传递函数的原型函数计算过程如下。

假设在个位置点测得个传递函数，，原型函数是表征个传递函数共同趋势的特性函数，可由以下两种方式计算得到。

a)利用个传递函数的加权均方根值作为原型函数

(1)

其中，为加权系数，可以根据实际情况对不同位置点进行加权，例如在家庭影院中，更加强调正对屏幕的位置的音质，而次要考虑其它位置。又如在汽车内部中，可以根据实际需求对前排或后排座位进行不同加权。当，，原型函数为个传递函数的均方根值。

b)利用个传递函数的加权算术均值作为原型函数

(2)

其中，为加权系数，可以根据实际情况对不同位置点进行加权。当，，原型函数为个传递函数的算术均值。

原型函数描述了多个位置点传递函数的共同特征，在房间声场中，原型函数从直达声、早期反射声和混响声等方面提取了各个位置点的共同特性，通过对原型函数的均衡可以实现对多个位置点的声场修正。

进一步地，步骤3）所述原型函数均衡滤波器的设计方法可以采用时域自适应最优化算法，包括最小均方差法、递推最小二乘法等。自适应算法通过自动迭代调节自身的滤波器参数，以满足最小准则的要求，从而实现最优的滤波器系数。

进一步地，步骤4）所述扬声器低频下限频率是由其物理特性决定的；低通滤波器可以采用FIR（有限冲激响应）或IIR（无限冲激响应）滤波器形式。IIR滤波器的幅频特性精度较高，***函数可以写成封闭函数的形式，采用递归型结构实现，计算复杂度较低，但是相位特性不是线性的，并且需要考虑***稳定性。而FIR滤波器幅频特性精度较之于IIR要低，一般没有解析表达式，计算复杂度较高，其显著优点在于***是稳定的，并且具有线性相位的特点。

进一步地，步骤5）所述产生高次谐波信号的非线性算法可以是多项式函数、指数函数或者幂函数以及其他非线性函数，以产生输入低频信号的高次谐波成分。

进一步地，步骤6）所述的动态范围控制是指对高次谐波信号进行动态控制，通过对高次谐波信号的峰值检测和增益控制，实现可感知的低频信号的控制。

进一步地，步骤7）所述的功率放大器可以有模拟和数字两种实现方式。如果采用模拟实现方式，均衡滤波器输出的数字信号经过数模转换成模拟信号，再由功率放大器进行信号功率放大；如果采用数字实现方式，均衡滤波器输出的数字信号直接馈给数字功率放大器进行信号功率放大。

进一步地，步骤7）所述的扬声器单元可以为各种不同尺寸和规格的动圈扬声器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

A.本发明通过对扬声器***在使用环境中的在线测量与实时均衡，能够将扬声器***与房间声学特性相结合，提升扬声器***在具体使用环境中的性能。

B.本发明对扬声器***频率响应的低频和高频分别进行处理，对于低于下限频率的低频信号进行虚拟低音增强，对于高于下限频率的信号进行自适应均衡，提高扬声器***在全频段的声重放能力。

C. 本发明能够对房间内多个位置点进行均衡，通过提取多个位置点传递函数的原型函数实现多点均衡，避免了对房间内一个点均衡后对其他位置点可能造成的音质损害。

D.本发明采用时域自适应算法进行均衡滤波器的计算，能够有效提高均衡的精度，并且采用时域均衡算法，可以避免频域算法需同时考虑幅度和相位的均衡，减少了计算复杂度。

附图说明

图1是本发明的扬声器自动均衡***的信号处理流程图；

图2是图1中实现声场均衡过程的流程图；

图3是图2中利用自适应算法计算均衡滤波器的原理图；

图4是图1中实现虚拟低音增强的信号处理流程图；

图5是图1中实现动态范围控制的信号处理流程图；

图6是本发明一实施例的均衡滤波器的时域曲线图；

图7A是本发明一实施例的扬声器***时域脉冲响应曲线图；

图7B是本发明一实施例的扬声器***经过均衡后的时域脉冲响应曲线图；

图8A是本发明一实施例的扬声器***频率响应曲线图；

图8B是本发明一实施例的扬声器***经过均衡后的频率响应曲线图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明首先通过传声器测量扬声器***在房间内多个位置点的脉冲响应，由多个脉冲响应确定其原型函数，利用自适应最优化算法计算原型函数的均衡滤波器；根据原型函数确定扬声器***的低频下限频率，对低于此频率的输入信号进行虚拟低音增强，以实现扬声器***在全频段的自动均衡。

如图1所示的依据本发明的扬声器自动均衡***，其主体由声源101、虚拟低音增强模块102、动态范围控制103、延迟单元104、均衡滤波器105、功率放大器106和扬声器单元107等组成。声源101与所述的虚拟低音增强102的输入端连接，用于对低于扬声器***下限频率的低音进行增强；虚拟低音增强模块102的输出端与动态范围控制103的输入端连接，对经过虚拟低音处理的信号进行动态控制，去除噪声；动态范围控制103的输出端与延迟单元104的输出端相加，再与均衡滤波器105的输入端连接，对输入信号进行均衡处理，再送至功率放大器106，对均衡后信号进行放大，并驱动扬声器单元107发声。

图1中均衡滤波器105的计算过程图2所示，具体的实现步骤为，首先利用传声器测量房间内多个位置点的脉冲响应，利用前述的(1)式或(2)式得到原型函数202，由于原型函数202一般为非最小相位***，因此可以将其分为最小相位***203和全通***204，分别得到幅度信息205和相位信息206；然后利用(3)式对其进行频率变换207，将原型函数由线性频率变换至弯折频率，以提高低频分辨率。

(3)

在(3)式中，为频域延时单元，为弯折因子，取值范围是。在弯折频率域，利用自适应最优化算法208，得到均衡滤波器209。

自适应最优化算法原理图如图3所示，其中为输入信号，为滤波器，为***函数，和分别为期望信号和输出信号，为误差信号。通过最优化算法更新滤波器的系数，使误差信号最小。优选地，以最小均方误差法为例，具体说明自适应最优化算法的计算过程。假设输入信号向量，滤波器系数，为滤波器长度。利用单个样本误差平方的瞬时值估计梯度矢量，即

(4)

滤波器系数的计算公式为

(5)

其中，为步长因子。值越大，算法收敛越快，但稳态误差越大；值越小，算法收敛越慢，但稳态误差越小。

虚拟低音增强模块如图4所示。输入信号401首先经过低通滤波器402，通过非线性产生高次谐波403，然后进行带通滤波后404与经过延时单元405的原始输入信号401相叠加，得到经过虚拟低音增强的输出信号406。非线性产生谐波403的方式可以是多项式函数、指数函数或者幂函数以及其他非线性函数。优选地，非线性产生谐波的方式可以是如(6)式的多项式形式。

(6)

其中，为常系数。

动态范围控制处理流程如图5所示。经过虚拟低音增强的输出信号406作为动态范围控制的输入信号501，经过峰值检测502与增益控制503后与经过延时单元504的原始输入信号进行相乘，以实现对原始输入信号501的动态范围控制。

下面结合附图和一实施例对本发明进行详细的说明。

在本实施例中，扬声器单元尺寸为3.5英寸，首先利用传声器测得扬声器***的脉冲响应与频率响应分别如图7A和图8A所示。利用自适应最优化方法得到均衡滤波器，采用300阶FIR形式，时域波形如图6所示。对扬声器***进行均衡后的脉冲响应和频率响应分别如图7B和图8B所示。从图中可以看出，经过均衡处理后，扬声器***的脉冲响应更加尖锐，频率响应更加平坦，具有较好的频率特性。并且利用虚拟低音增强算法进行低音补偿。通过实际的试听，低频段表现力明显增强，中高频的乐声更加明亮，声音更加自然。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种扬声器自动均衡方法，依次包括如下步骤：

1)利用传声器测量扬声器***电输入信号到房间中多个位置点的传递函数；

2)根据多个位置点的加权关系确定多个传递函数的原型函数；

3)设计原型函数的均衡滤波器；

4)由原型函数确定扬声器***的低频下限频率，并对原始的电输入信号进行低通滤波，得到低于下限频率的低频基频信号；

5)利用非线性算法产生低频基频信号的高次谐波信号；

6)高次谐波信号经动态范围控制后，与经过延时的原始的电输入信号迭加后馈给均衡滤波器；

7)均衡滤波器输出数字信号经功率放大器后驱动扬声器单元。

2.根据权利要求1所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤1)中所选取的测量位置点为选取于房间中的收听位置，或者为覆盖所选取的收听位置的收听区域。

3.根据权利要求1所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤2)中原型函数描述了一或多个位置点的传递函数的共同特征，在房间声场中，原型函数从直达声、早期反射声和混响声等方面提取了各个位置点的共同特性，假设在M个位置点测得M个传递函数H_i(e^jω)，i＝1,2,…,M，原型函数的计算方式包括，

a)利用M个传递函数的加权均方根值作为原型函数

| \hat{H} (e^{j ω}) | = \sqrt{\frac{1}{M} Σ_{i = 1}^{M} | a_{i} H_{i} (e^{j ω}) |^{2}}

其中，a_i为加权系数，i＝1,2,…,M；

b)利用M个传递函数的加权算术均值作为原型函数

| \hat{H} (e^{j ω}) | = \frac{1}{M} Σ_{i = 1}^{M} | b_{i} H_{i} (e^{j ω}) |

其中，b_i为加权系数，i＝1,2,…,M。

4.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤3)中均衡滤波器的设计方法采用自适应最优化方式，包括最小均方差法、递推最小二乘法。

5.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤4)中扬声器低频下限频率是由其物理特性决定的。

6.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤4)采用一低通滤波器，该低通滤波器为有限冲激响应或无限冲激响应滤波器形式。

7.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤5)中产生高次谐波信号的非线性算法包括多项式函数、指数函数或者幂函数、其他非线性函数，以产生低频基频信号的高次谐波成分。

8.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤6)中动态范围控制是指对高次谐波信号进行动态控制，通过对高次谐波信号的峰值检测和增益控制，实现可感知的低频信号的控制。

9.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤7)中功率放大器为模拟实现方式，均衡滤波器输出的数字信号经过数模转换成模拟信号，再由功率放大器进行信号功率放大后输出，并用于驱动扬声器单元。

10.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤7)中功率放大器为数字实现方式，均衡滤波器输出的数字信号直接馈给数字形式的功率放大器进行信号功率放大后输出，用于驱动扬声器单元。

11.根据权利要求1中所述的扬声器自动均衡方法，其特征在于：步骤7)中扬声器单元包括多种不同尺寸和规格的动圈扬声器。