專利名稱：一種面向目標(biāo)的聲輻射生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲場控制方法，特別涉及一種面向目標(biāo)的聲輻射生成方法。
背景技術(shù)：
在21世紀(jì)，科技的發(fā)展正朝著以人為本的人性化科技(Human-centeredTechnology，簡稱HT)邁進(jìn)。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，許多方面都需要聲學(xué)技術(shù)的服務(wù)。而聲場控制的研究因其廣泛的應(yīng)用背景和知識(shí)創(chuàng)新的潛能，成為現(xiàn)代聲學(xué)最為活躍的熱點(diǎn)之一。
聲場控制的研究，主要是針對(duì)兩種情形，即如何控制噪聲以改善人居聲環(huán)境和如何制造出個(gè)性化的聲學(xué)空間提供給人們所需要的聽覺享受。對(duì)于前者，從傳統(tǒng)的噪聲控制技術(shù)—無源方法到現(xiàn)代的有源消噪法，進(jìn)展迅速。尤其是近30年，有源噪聲控制成為聲學(xué)，特別是噪聲控制中發(fā)展最快的一個(gè)分支，取得不少成果，如文獻(xiàn)1《現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)》，馬大猷，北京科學(xué)出版社，2004年3月。從噪聲控制的物理機(jī)制、控制方式的選取和控制系統(tǒng)(包括算法、硬件、次級(jí)源和傳感器)的實(shí)現(xiàn)，科研工作者進(jìn)行了大量的工作，并在20世紀(jì)80年代中期到90年代中期達(dá)到高潮。盡管如此，相比無源噪聲控制方法，有源控制技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際場合的例子，并不多見。影響它在工程中推廣的因素之一，就是控制系統(tǒng)中次級(jí)源和傳感器布放的個(gè)數(shù)和位置等缺乏靈活性，做不到“因地制宜”。更為關(guān)鍵的是，過于對(duì)最優(yōu)控制(最大降噪量下的理論優(yōu)化)效果的注重，往往帶來算法結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和較大的控制代價(jià)，系統(tǒng)的魯棒性較差。它意味著要綜合考慮聲波的產(chǎn)生、傳播和接收等環(huán)節(jié)的物理機(jī)制，提出相應(yīng)的控制策略。從理論走向?qū)嵱玫倪^程，就必須兼顧控制效果、實(shí)現(xiàn)成本和人的感受等。
如果說，有源噪聲控制的目的是實(shí)現(xiàn)“無”(噪)聲境界，聆聽聲場控制的目的就是制造“有”聲環(huán)境。相對(duì)來說，后者則是更多地受到電聲行業(yè)、音頻工程和多媒體業(yè)者及其研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。如何通過聲源重放系統(tǒng)，聽起來有聲有色，且“聲”臨其境。對(duì)于涉及到聲質(zhì)量、主觀評(píng)價(jià)等心理聲學(xué)的內(nèi)容在此將不做討論。本發(fā)明涉及的是在特定區(qū)域產(chǎn)生聲場的問題。目前，5.1通路系統(tǒng)作為環(huán)繞聲的國際標(biāo)準(zhǔn)，已得到廣泛應(yīng)用。另一方面，考慮到實(shí)際空間的限制，特別是滿足處于較小視聽空間的聆聽者的需要，僅僅利用兩個(gè)聲源(音箱)就能“虛擬”出環(huán)繞聲的研發(fā)也已經(jīng)開展。在產(chǎn)生“虛擬”聲場的過程中，通過兩只揚(yáng)聲器來虛擬多重聲源，不僅需要為聆聽者的每只耳朵重建聲音信息，而且同時(shí)需要確保每只耳朵都無法接收到準(zhǔn)備傳遞給另一只耳朵的信息。也就是說，左、右耳只分別聽到來自左、右聲道揚(yáng)聲器的信息。為了達(dá)到上述目的，關(guān)鍵的是對(duì)播放信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以去除串音干擾(crosstalk)，即采用串音消除(crosstalk cancellation)的技術(shù)手段。這類似于有源噪聲控制中逆濾波器的設(shè)計(jì)，在特定區(qū)域/點(diǎn)消除不需要的聲，但實(shí)現(xiàn)起來卻要比有源噪聲控制技術(shù)困難得多。由于逆濾波器的設(shè)計(jì)是以獲得最佳聆聽位置(sweetspot)串音抵消為目標(biāo)的，對(duì)控制精度的要求使得串音消除器(crosstalk canceller)即控制器的魯棒性較差。聆聽者的頭部移動(dòng)或控制器參數(shù)的稍有變化，都可能會(huì)破壞虛擬的聲場和完整的聲場信息?，F(xiàn)有的技術(shù)或解決方案還是局限在狹小的聽音范圍，虛擬聲重放的可靠性仍有待提高。分析消除串音干擾的過程，左、右耳只分別聽到來自左、右聲道揚(yáng)聲器的信息，其效果等同于兩束具有指向性的聲波傳播。我們知道，在管道噪聲有源控制的的偶極系統(tǒng)中，兩只揚(yáng)聲器被用來組合成一個(gè)單指向性次級(jí)聲源，既消除了次級(jí)聲反饋的影響，又取得管道下游聲場的控制。那么，如果能建立統(tǒng)一的聲場分析的模型，就使得不同目標(biāo)下的聲輻射模式(radiationmode)有助于兩種控制技術(shù)的交叉、融合和實(shí)際的應(yīng)用。
由現(xiàn)有的聲場控制方法，可以看出有源噪聲控制的目的是防止噪聲干擾，產(chǎn)生聲學(xué)上的“暗區(qū)”(acoustically dark zone)，即盡可能減少目標(biāo)區(qū)域的噪聲能量；聆聽聲場控制的目的是傳送聲波到特定的區(qū)域或方向，產(chǎn)生聲學(xué)上的“亮區(qū)”(acoustically bright zone)，即在目標(biāo)區(qū)域或方向集聚聲能。從“無”到“有”，對(duì)應(yīng)著多源系統(tǒng)基于“相反”目的下在目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的聲場狀態(tài)，是聲場控制結(jié)果的“正、反”兩面。它們的共同點(diǎn)是產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)控制目的所需要的聲波，不同點(diǎn)僅在于輻射模式的不同。長期以來，這兩種情形的聲場控制研究卻是在各自的科研領(lǐng)域里得到發(fā)展。有鑒于此，本發(fā)明擬建立統(tǒng)一的聲場模型，通過對(duì)聲輻射模式分析，提出“面向目標(biāo)”的聲輻射生成方法(Target-oriented Acoustic RadiationGEneration Technique，簡稱TARGET)并應(yīng)用于聲場控制中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在統(tǒng)一的理論框架下，建立面向目標(biāo)的聲輻射模式(，Target-oriented Acoustic Radiation Mode，簡稱TARM)，在面向目標(biāo)的控制方法下，給出“亮區(qū)”或“暗區(qū)”的相應(yīng)解決方案。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下列技術(shù)方案一種面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，步驟如下1)建立面向目標(biāo)的由聲輻射模式(TRAM)構(gòu)成的分析模型，包括如下步驟(1)將N個(gè)聲源布放形成多輸入多輸出系統(tǒng)的輸入端多聲源；(2)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行M個(gè)網(wǎng)格劃分，在每個(gè)網(wǎng)格中放置“虛擬聲傳感器”對(duì)目標(biāo)區(qū)域/方向離散采樣，M個(gè)“虛擬聲傳感器”就形成多輸入多輸出系統(tǒng)的輸出端多傳感器；(3)由聲源和虛擬傳感器的位置、聲輻射的頻率和應(yīng)用場合，確定聲傳遞矩陣，即聲輻射阻抗矩陣G和Hermitian矩陣R＝GHG，其中GH表示G的共軛轉(zhuǎn)置；所述應(yīng)用場合包括自由空間或封閉空間；在自由空間，G(rij)=-jωρ04πrije-jkrij,]]>其中rij是從第j個(gè)聲源到第i個(gè)虛擬傳聲器的距離，k＝ω/c為波數(shù)，ρ0、c為介質(zhì)(空氣)的密度和聲速；在封閉空間如矩形房間內(nèi)，則有 其中，Kn＝LxLyLz/8，Lx，Ly和Lz分別是房間的長、寬、高，r→l=(xl,yl,zl)]]>和r→0=(x0,y0,z0)]]>分別是虛擬傳感器和聲源的位置，kn=π(nx/Lx)2+(ny/Ly)2+(nz/Lz)2,]]>n＝(nx，ny，nz)為非負(fù)整數(shù)，δn為阻尼常數(shù)， 表示在 處的本征函數(shù)；在其它形式的封閉空間內(nèi)，如球形空間、柱形空間或錐形空間等，可以采用已知的現(xiàn)有技術(shù)如有限元法或?qū)嶋H測量聲輻射下的傳遞函數(shù)等方法建立相應(yīng)的聲輻射阻矩陣G；2)通過分析聲輻射模式(TRAM)，搜尋最大、最小增益模式假設(shè)要求的多聲源強(qiáng)度和多傳感器的聲壓分別是q＝[q1，q2，...，qN]T和P＝[p1，p2，...，PM]T，T表示向量的轉(zhuǎn)置，定義系統(tǒng)的控制增益為傳感器輸出的功率和聲源的輸入功率之比
g(q)=EoutEin=qHRqqHq]]>其中，H表示共軛轉(zhuǎn)置，R＝GHG是由聲輻射阻抗G組成N×N的Hermitian矩陣；g(q)的極值代表系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的聲場控制能力，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)極值的方程如下gq＝RqHermitian矩陣R的特征值就是函數(shù)g(q)的極值，而其特征向量就是對(duì)應(yīng)的聲源強(qiáng)度；根據(jù)上式，得到按降階次序排列的N個(gè)特征向量q1，q2，...，qN和N個(gè)實(shí)的特征值g1，g2，...，gN；將N個(gè)實(shí)的特征值按照大小順序排列，對(duì)應(yīng)于最大的特征值g1＝gmax，q1為最大增益模式，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生聲場“亮區(qū)”；對(duì)應(yīng)于最小的特征值gN＝gmin，qN為最小增益模式，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生聲場“暗區(qū)”；3)基于上述步驟2)，計(jì)算出相應(yīng)于最大(或最小)增益模式的向量q1(或qN)，并用之于輸入端聲源陣列的各個(gè)單元的輸入信號(hào)，得到聲場控制系統(tǒng)的解。
在上述技術(shù)方案中，步驟1)到步驟3)中所述的聲源陣列是由具有相同頻率響應(yīng)的換能器組成，考慮到不同的聲波輻射頻段或應(yīng)用背景，聲源陣列或由普通的音頻揚(yáng)聲器組成，或由超聲換能器如壓電陶瓷(PZT)或壓電薄膜(PVDF)換能器等組成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)從控制策略著手，將制造個(gè)性化聆聽聲場和控制噪聲的研究統(tǒng)一在聲場控制的框架內(nèi)，看作在特定區(qū)域/方向產(chǎn)生聲場分布的“亮、暗”面。量“聲”定做，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的魯棒性，公開面向目標(biāo)的聲輻射模式分析，突出了TARGET的效用可調(diào)性，即從按需所取的理念出發(fā)，控制什么，取決于需要什么樣的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，它的應(yīng)用范圍可由用戶定義和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)開放式的設(shè)計(jì)方案。
2)注重結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)兩者之間的整體有機(jī)性，可通過各種參數(shù)對(duì)聲場控制效果的影響分析，并系統(tǒng)地研究控制系統(tǒng)的可測性、可控性和穩(wěn)定性，從而給出多聲源陣列系統(tǒng)的兼顧不同目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3)向目標(biāo)的聲輻射生成技術(shù)中的“面向目標(biāo)”有別于軟件開發(fā)中“面向?qū)ο蟆钡母拍?，它是面?目標(biāo)的組合，有兩層含義一是側(cè)重于目標(biāo)。為了滿足要求，即在指定的區(qū)域達(dá)到某種效果(如產(chǎn)生亮區(qū)或暗區(qū))甚至于特定聲場的分布，發(fā)展出不同模式的多聲源輻射技術(shù)；二是強(qiáng)調(diào)面向。形成從聲源到目標(biāo)的波束(beamforming)傳播方式，即具有指向性的發(fā)聲系統(tǒng)，并發(fā)展一套波束控制(beamsteering)技術(shù)。它揭示聲輻射場與波束生成和控制的系統(tǒng)行為，推動(dòng)聲場控制的向智能化、實(shí)用化等更深層次發(fā)展。


圖1表示多輸入多輸出系統(tǒng)模型示意圖；圖2表示多輸入多輸出噪聲控制系統(tǒng)模型示意圖；圖3表示聲源陣列和產(chǎn)生的特定形狀的聲場分布示意圖；圖4表示圖3的歸一化的聲場分布俯視圖，圖中灰度單位為dB；圖5表示應(yīng)用于聲場控制的TARGET流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明是基于對(duì)統(tǒng)一的聲場模型進(jìn)行聲輻射模式分析而提出的聲輻射生成方法?？紤]圖1所示的由N個(gè)聲源和M個(gè)傳感器構(gòu)成的多輸入多輸出系統(tǒng)的模型，其中在特定區(qū)域中的傳感器可以看作是空間聲場的離散化“虛擬聲傳感器”。虛擬傳感器的個(gè)數(shù)M取值主要是看控制精度，和目標(biāo)區(qū)域的尺寸和控制頻率等有關(guān)。通常的M取值大于100，得到的效果較好。但如果劃分網(wǎng)格太密的話，即M值非常大，計(jì)算量顯著增加，而系統(tǒng)的性能并沒有多大改善。N值的選取，取決于陣元(如揚(yáng)聲器等聲源的尺寸)和實(shí)際所允許的陣元布放空間。一般來說，考慮到信號(hào)的通道數(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度的影響，N取值在100以下。
根據(jù)聲源和虛擬傳感器的位置，聲輻射的頻率和應(yīng)用的場合(如自由空間)，可以得出系統(tǒng)的聲傳遞矩陣G。在自由空間，G(rij)=-jωρ04πrije-jkrij,]]>其中rij是從第j個(gè)聲源到第i個(gè)虛擬傳聲器的距離，k＝ω/c為波數(shù)，ρ0、c為介質(zhì)(如空氣)的密度和聲速；需要說明的是，在封閉空間如矩形房間內(nèi)，聲傳遞矩陣G則由 確定，其中，Kn＝LxLyLz/8，Lx，Ly和Lz分別是房間的長、寬、高，r→l=(xl,yl,zl)]]>和r→0=(x0,y0,z0)]]>分別是虛擬傳感器和聲源的位置，kn=π(nx/Lx)2+(ny/Ly)2+(nz/Lz)2,]]>n＝(nx，ny，nz)為非負(fù)整數(shù)，δn為阻尼常數(shù)， 表示在 處的本征函數(shù)；在其它形式的封閉空間內(nèi)，如球形空間、柱形空間或錐形空間等，可以采用已知的現(xiàn)有技術(shù)如有限元法或?qū)嶋H測量聲輻射下的傳遞函數(shù)等建立相應(yīng)的聲輻射阻矩陣G。
假設(shè)要求的多聲源強(qiáng)度和多傳感器的聲壓分別是q＝[q1，q2，...，qN]T和P＝[p1，p2，...，pM]T，T表示向量的轉(zhuǎn)置。定義系統(tǒng)的控制增益為傳感器輸出的功率和聲源的輸入功率之比g(q)=EoutEin=qHRqqHq---(1)]]>這里，H表示共軛轉(zhuǎn)置，R＝GHG是由聲輻射阻抗G組成N×N的Hermitian矩陣，它和自由或房間聲場中的格林函數(shù)有關(guān)。可以分析得出，g(q)的極值在某種程度上代表了系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的聲場控制能力，可以推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)極值的方程(2)gq＝Rq (2)它說明，Hermitian矩陣R的特征值就是函數(shù)g(q)的極值，而其特征向量就是對(duì)應(yīng)的聲源強(qiáng)度。由此，由式(2)可以得到N個(gè)特征向量q1，q2，...，qN和N個(gè)實(shí)的特征值g1，g2，...，gN。特征向量可以當(dāng)作完備正交基表達(dá)任意的聲源強(qiáng)度，如q＝w1q1+w2q2+...+wNqN＝QW (3)
這里Q＝[q1，q2，...，qN]是特征向量矩陣，W＝[w1，w2，...，wN]T為加權(quán)向量。由于特征向量的作用如同振動(dòng)的模子輻射，且受約束于不同目標(biāo)和特定區(qū)域的定義，所以本發(fā)明命名為面向目標(biāo)的聲輻射模式(TARM，target-oriented acoustic radiationmode)?；赥ARM分析得到聲源強(qiáng)度的方法，稱之為面向目標(biāo)的聲輻射生成方法(Target-oriented Acoustic Radiation GEneration Technique，簡稱TARGET)。
特征向量矩陣Q的另一個(gè)特性是它可以使矩陣R對(duì)角線化R＝QΛQH(4)這里Λ＝diag[g1，g2，...，gN]是對(duì)角特征向量矩陣。應(yīng)用方程(4)和(3)可得到輸出功率的表達(dá)式Eout=(QW)H(QΛQH)QW=WHΛW=Σi=1N|wi|2gi---(5)]]>考慮到q1，q2，...，qN彼此正交，Q是酉矩陣，TARM系列也就是標(biāo)準(zhǔn)正交基。它意味著，特定區(qū)域的聲能量由一系列TARMs獨(dú)立貢獻(xiàn)。如果對(duì)于由式(2)得到的特征值按從大到小的次序排列，那么q1可稱作最大增益模式(gmax＝g1)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生聲場“亮”區(qū)的問題，可用于波束生成(beamforming)和波束控制(beamsteering)。而qN為最小增益模式(gmin＝gN)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生聲場“暗”區(qū)的問題，可用于抑制噪聲。
計(jì)算出相應(yīng)于最大(或最小)增益模式的向量q1(或qN)，并用之于輸入端聲源陣列的各個(gè)單元的輸入信號(hào)，得到聲場控制系統(tǒng)的解。這一過程可看作陣列的預(yù)信號(hào)處理(pre-processing)，通過逆濾波器(inverse filter)的設(shè)計(jì)得到陣列的聲源強(qiáng)度。
考慮到聲源陣列的各單元(如揚(yáng)聲器)之間的互阻抗影響，以及單元的聲學(xué)相應(yīng)不一致性等造成的問題，使用信道補(bǔ)償(compensation)、校正(equalization)等修正手段，改善控制效果以得到最優(yōu)的聲場控制設(shè)計(jì)。這一過程可看作聲場控制系統(tǒng)的預(yù)處理信號(hào)微調(diào)或調(diào)整。
在計(jì)及實(shí)際的物理或系統(tǒng)參數(shù)變化帶來的影響時(shí)，還可以利用傳感器等拾取目標(biāo)區(qū)域/方向的聲壓等聲學(xué)參量，反饋到聲場控制系統(tǒng)，并采取自適應(yīng)算法得到最優(yōu)解。
本發(fā)明的聲輻射生成方法應(yīng)用于在特定方向上產(chǎn)生特定聲場或聲場分布時(shí)，可以利用傳感器等拾取目標(biāo)區(qū)域/方向的聲壓等聲學(xué)參量，反饋到聲場控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)多波束生成和控制。這一過程可看作聲場控制系統(tǒng)的后信號(hào)處理。
本發(fā)明的聲輻射生成方法意味著，這種對(duì)控制策略的注重，將聲場控制的兩個(gè)領(lǐng)域——制造個(gè)性化聆聽聲場和控制噪聲——有機(jī)地聯(lián)結(jié)起來。
下面通過兩個(gè)具體聲場控制問題的解決，來進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
例1以本發(fā)明在噪聲控制中的應(yīng)用為例，考慮如圖2所示的多輸入多輸出的噪聲控制模型，輸入端共有5×5+1＝26個(gè)聲源，包括N＝5×5個(gè)次級(jí)源處于xyz直角坐標(biāo)系的xoy平面內(nèi)，中心位于原點(diǎn)o處，圖中Ls表示次級(jí)源在x方向上的長度(它也等于次級(jí)源在y方向上的長度)，即陣長；1個(gè)初級(jí)聲源處在N個(gè)次級(jí)源的正后方距離為Dps，N個(gè)次級(jí)聲源陣列組成“聲屏障”，控制初級(jí)聲源的聲輻射，在特定區(qū)域產(chǎn)生“暗區(qū)”；目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的M＝12×12(圖2中僅畫出其中的6×6個(gè)作為示意圖)個(gè)虛擬誤差傳聲器分布在處在N個(gè)次級(jí)源的正前方距離Dse處，圖中Le表示目標(biāo)區(qū)域在x方向上的長度(它也等于目標(biāo)區(qū)域在y方向上的長度)。首先可以根據(jù)有源噪聲控制技術(shù)，求出次級(jí)聲源的強(qiáng)度應(yīng)為qs0＝-(ZseHZse)-1ZseHZpeqp，當(dāng)M≠N時(shí) (6)或qs0＝-Zse-1Zpeqp，當(dāng)M＝N時(shí)(7)這里qp為初級(jí)聲源的強(qiáng)度，qs0是N×1的向量，表示次級(jí)聲源強(qiáng)度，Zpe是M×1的向量，表示從初級(jí)源到誤差傳感器處的傳遞矩陣，Zse是從次級(jí)源到誤差傳感器處M×N的傳遞矩陣，顯然，式(6)中的ZseHZse必須可逆，當(dāng)聲源陣列和布放的傳感器構(gòu)成了病態(tài)矩陣，將得不到有效的控制。常用的方法是減小輸出功率，即如下的罰函數(shù)JJ＝PHP＝(Zpeqp+Zseqs)H(Zpeqp+Zseqs) (8)現(xiàn)在通過分析TARM來提出解決方案。假設(shè)由1個(gè)初級(jí)源和N個(gè)次級(jí)源構(gòu)成整體的聲輻射模子，問題就變成發(fā)現(xiàn)N+1個(gè)源強(qiáng)度向量減小面向目標(biāo)的控制增益，即最小增益的TARMs就是產(chǎn)生“暗”區(qū)的解?；诖怂悸?，我們可以通過q*=argminqg(q),]]>受限條件是q*0＝qp， (9)得出次級(jí)聲源的強(qiáng)度。上式中，q*0是向量q*＝[q*0q*1q*2...q*N]T的第一項(xiàng)，而次級(jí)源強(qiáng)度是qs＝[q*1，q*2...q*N]T?？刂圃鲆鎔(q)參見式(1)的定義，其中的矩陣R可修改成R＝[ZpeZse]H[ZpeZse] (10)可見，通過N+1個(gè)TARMs的分析，最小增益的TARM是qN+1。接下來，利用線性變換來滿足條件q*0＝qpq*=qpqN+1,0·qN+1---(11)]]>這里，qN+1，0表示向量qN+1的第一項(xiàng)。
當(dāng)方程(11)中的qN+1，0較小時(shí)，可以通過遞次搜索的方法找到下一個(gè)較小增益的聲輻射模式向量qk，k＝N，N-1，...，1。最后，次級(jí)聲源強(qiáng)度為
qs=[q*1,q*2...q*N]T=qpqk,0·[qk,1,qk.2...qk,N]T---(12)]]>在聲輻射模式的分析過程中，可以看到，它的優(yōu)勢還在于，不需要對(duì)ZseHZse直接求逆，將提高系統(tǒng)的魯棒性。
例2以TARGET在特定區(qū)域產(chǎn)生某種聲場分布即個(gè)性化聆聽聲場的應(yīng)用為例，如圖3所示，假定用一環(huán)狀聲源陣列，N＝6*8+1＝49個(gè)聲源排列成環(huán)狀星形(圖3中一個(gè)黑色圓點(diǎn)表示一個(gè)聲源，共有49個(gè))，工作頻率在對(duì)應(yīng)語言聲的2KHz，其它相關(guān)參數(shù)如圖3所示，在xyz直角坐標(biāo)系中，目標(biāo)區(qū)域是長L＝6m，寬度W＝0.4m，曲率半徑D＝6m的十字形區(qū)域；圓形聲源陣列處在xoy片面內(nèi)，中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)o，其半徑R＝1m。圖3中的圓形陣列表示聲源揚(yáng)聲器陣列。在目標(biāo)區(qū)域取M＝196個(gè)虛擬傳感器，利用本發(fā)明提出的面向目標(biāo)聲輻射生成方法，計(jì)算出最大增益模式對(duì)應(yīng)的向量q1，給出聲源陣列的輸入強(qiáng)度，在自由場中產(chǎn)生十字形的聲學(xué)“亮”區(qū)，見圖3所示。歸一化的聲場分布俯視圖如圖4所示，灰度表示了目標(biāo)區(qū)域及周圍的“亮”和“暗”的情況。由此可見，可以將TARGET應(yīng)用于產(chǎn)生特定形狀的聲學(xué)空間。
正如圖4所示十字架聲場的產(chǎn)生，TARGET還可以應(yīng)用于多波束形成和控制。具體聲場控制的信號(hào)處理流程圖見圖5，系統(tǒng)初始化之后，通過建模、聲輻射模式分析得到的初步解，經(jīng)過相關(guān)的參數(shù)修正，例如針對(duì)聲源陣列各單元間的互阻抗以及輻射單元聲學(xué)相應(yīng)不一致性等影響，進(jìn)行信道校正和補(bǔ)償而獲得聲場控制系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)?？梢詤⒖荚谥悄芴炀€陣列設(shè)計(jì)中，人們考慮到幅度和相位的失配以及陣元間的互耦合影響等所采取的措施。它一般有兩種方法一是對(duì)要校正的天線陣列使用已知傳遞方向的信號(hào)，分析陣列的輸出來得到調(diào)整的參數(shù)；二是對(duì)于天線陣列的各個(gè)信道加入等相位信號(hào)的方式來解決問題。近來還有通過分析收集信號(hào)的波達(dá)方向(DOA，Direction of Arrival)來校正天線陣列系統(tǒng)的方法，具體參見文獻(xiàn)如“Smart antenna array calibration procedure including amplitude and phasemismatch and mutual coupling effects”(Dandekar，K.R.；Hao Ling；GuanghanXu，2000 IEEE International Conference on Personal Wireless Communications，pp293-297)。而且，在考慮實(shí)際的物理或系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響時(shí)，TAGET的設(shè)計(jì)過程中可以利用自適應(yīng)控制算法，如采用LMS(Least-Mean-Square)或RLS(Recursive Least-Squares)等自適應(yīng)濾波法，詳見文獻(xiàn)“Adaptive Filter Theory”(S.Haykin，Prentice Hall，Englewood Cliffs，NJ，4th edition，2001)。例如，配合誤差估計(jì)及聲輻射目標(biāo)的要求即通過目標(biāo)聲場的反饋，按照?qǐng)D5中虛線所示的信號(hào)處理流程，實(shí)現(xiàn)以自適應(yīng)算法為核心的波束形成和控制。另外，在圖5的控制信號(hào)饋送給多聲源陣列之前，還可以通過加入切比雪夫窗(Chebyshev window)等方法來實(shí)現(xiàn)常寬帶波束的生成和控制等，參見圖5中的虛框所示。
基于面向目標(biāo)的聲輻射生成技術(shù)所設(shè)計(jì)出的聲源系統(tǒng)用途廣泛，它體現(xiàn)在●提供個(gè)性化的聲學(xué)空間。在家庭和辦公地點(diǎn)以及娛樂場所，人們既可用之于特定區(qū)域的噪聲控制，又能朝特定方位播放可聽聲，人們享有各自的聲學(xué)環(huán)境；●產(chǎn)生虛擬聲場。在多媒體家庭影院和需要特殊聲效的場所，人們可以利用波束的可反射性虛擬出聲源，得到環(huán)繞聲的效果；●定向傳聲。在嘈雜的人群或環(huán)境中，發(fā)送信號(hào)給特定的接收者。如在體育場館，教練對(duì)隊(duì)員的現(xiàn)場指導(dǎo)以及工業(yè)場所的通話；●保密用途。在軍事和準(zhǔn)軍事的通訊方面，電話會(huì)議和涉及私人的通話方面等等。
權(quán)利要求
1.一種面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，步驟如下1)建立面向目標(biāo)的由聲輻射模式構(gòu)成的分析模型，包括如下子步驟(1)將N個(gè)聲源布放形成多輸入多輸出系統(tǒng)的輸入端多聲源；(2)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行M個(gè)網(wǎng)格劃分，在每個(gè)網(wǎng)格中放置“虛擬聲傳感器”對(duì)目標(biāo)區(qū)域/方向離散采樣，M個(gè)“虛擬聲傳感器”就形成多輸入多輸出系統(tǒng)的輸出端多傳感器；(3)由聲源和虛擬傳感器的位置、聲輻射的頻率和應(yīng)用場合，確定聲傳遞矩陣，即聲輻射阻抗矩陣G和Hermitian矩陣R＝GHG，其中GH表示G的共軛轉(zhuǎn)置；2)通過分析聲輻射模式，搜尋最大、最小增益模式；過程如下假設(shè)要求的多聲源強(qiáng)度和多傳感器的聲壓分別是q＝[q1，q2，...，qN]T和P＝[p1，p2，...，pM]T，T表示向量的轉(zhuǎn)置，系統(tǒng)的控制增益為g(q)=EoutEin=qHRqqHq]]>其中，H表示共軛轉(zhuǎn)置，R＝GHG是由聲輻射阻抗G組成N×N的Hermitian矩陣；g(q)的極值代表系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的聲場控制能力，對(duì)應(yīng)極值的方程如下gq＝RqHermitian矩陣R的特征值就是函數(shù)g(q)的極值，而其特征向量就是對(duì)應(yīng)的聲源強(qiáng)度；根據(jù)上式，得到N個(gè)特征向量q1，q2，...，qN和N個(gè)實(shí)的特征值g1，g2，...，gN；對(duì)N個(gè)實(shí)的特征值按照大小順序排列后，最大的特征值g1＝gmax，q1為最大增益模式，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生聲場“亮區(qū)”；對(duì)應(yīng)于最小的特征值gN＝gmin，qN為最小增益模式，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生聲場“暗區(qū)”；3)基于上述步驟2)，計(jì)算出相應(yīng)于最大增益模式的向量q1或計(jì)算出相應(yīng)于最最小增益模式的向量qN，并用之于輸入端聲源陣列的各個(gè)單元的輸入信號(hào)，得到聲場控制系統(tǒng)的解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，其特征是，在步驟1)的子步驟(3)中，所述應(yīng)用場合包括自由空間或封閉空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，其特征是，所述步驟1)到步驟3)中所述聲源陣列是由具有相同頻率響應(yīng)的換能器組成，所述聲源陣列或由普通的音頻揚(yáng)聲器組成，或由超聲換能器如壓電陶瓷或壓電薄膜換能器組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，其特征是，在自由空間中，G(rij)=-jωρ04πrije-jkrij,]]>其中rij是從第j個(gè)聲源到第i個(gè)虛擬傳聲器的距離，k＝ω/c為波數(shù)，ρ0、c為介質(zhì)的密度和聲速。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，其特征是，在封閉空間如矩形房間內(nèi)，有 其中，Kn＝LxLyLz/8，Lx，Ly和Lz分別是房間的長、寬、高，rl→=(xl,yl,zl)]]>和r0→=(x0,y0,z0)]]>分別是虛擬傳感器和聲源的位置，kn=π(nx/Lx)2+(ny/Ly)2+(nz/Lz)2,]]>n＝(nx，ny，nz)為非負(fù)整數(shù)，δn為阻尼常數(shù)， 表示在 處的本征函數(shù)；所述封閉空間還可以是其它形式的空間，如球形空間、柱形空間或錐形空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，其特征是，還包括利用傳感器拾取目標(biāo)區(qū)域/方向的聲學(xué)參量如聲壓，反饋到聲場控制系統(tǒng)，并采取自適應(yīng)算法得到最優(yōu)解。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，其特征是，在所述步驟3)中，還包括對(duì)輸入端聲源陣列的各個(gè)單元的輸入信號(hào)使用信道補(bǔ)償、校正的修正手段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向目標(biāo)的聲輻射生成方法，是基于對(duì)統(tǒng)一的聲場模型進(jìn)行聲輻射模式分析而提出的聲輻射生成方法，包括步驟1)建立面向目標(biāo)的由聲輻射模式構(gòu)成的分析模型；2)通過分析聲輻射模式，搜尋最大、最小增益模式；3)計(jì)算出相應(yīng)于最大(或最小)增益模式的向量，并用之于輸入端聲源陣列的各個(gè)單元的輸入信號(hào)，得到聲場控制系統(tǒng)的解。本發(fā)明將制造個(gè)性化聆聽聲場和控制噪聲的研究統(tǒng)一在聲場控制的框架內(nèi)、注重結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)兩者之間的整體有機(jī)性、能夠面向目標(biāo)的生成聲輻射。
文檔編號(hào)G10K11/178GK1941075SQ200510107830
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者楊軍, 溫源 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所