用于遠場和近場頭相關傳輸函數的多聲源自動測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及用于遠場和近場頭相關傳輸函數的多聲源自動測量系統，包括聲音信號播放和記錄模塊、通道控制模塊、多仰角聲源布置模塊和方位角調節(jié)模塊以及基于個人計算機的自動測量系統控制中心；其中聲音信號播放和記錄模塊、通道控制模塊、方位角調節(jié)模塊分別與自動測量系統控制中心連接，通道控制模塊還與多仰角聲源布置模塊連接；所述自動測量系統控制中心用于產生聲學測量信號、控制通道控制模塊的工作和設置方位角調節(jié)模塊中轉臺轉動的參數。本實用新型涉及的自動測量系統，所需硬件成本低，測量效率高，可用于遠場和近場頭相關傳輸函數測量。
【專利說明】用于遠場和近場頭相關傳輸函數的多聲源自動測量系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及聲學測量和電聲【技術領域】，具體涉及一種頭相關傳輸函數的快速自動測量系統。
【背景技術】
[0002]頭相關傳輸函數(HRTF)定義為自由場(沒有環(huán)境反射)條件下聲源到傾聽者(受試者)雙耳的聲學傳輸函數，它是受試者頭部、耳廓、軀干等生理結構對聲波散射(綜合濾波)的結果，包含有聲源的空間定位信息(方向和距離)，并與受試者的生理結構和尺寸有關。當聲源到頭中心的距離大于1.0 m時,稱為遠場HRTF ;而距離小于1.0 m時,稱為近場HRTF。
[0003]頭相關傳輸函數是雙耳聽覺定位、虛擬聽覺重放信號處理的重要基礎物理數據。它不但在雙耳聽覺的基礎研究中非常重要，而且是設計多媒體與虛擬實現、虛擬環(huán)繞聲、各種3D (三維)游戲等工程技術與消費電子產品的核心數據。
[0004]實驗測量獲取頭相關傳輸函數是最常用的方法。由于頭相關傳輸函數與聲源位置有關，因而需要對不同聲源位置的頭相關傳輸函數進行測量。在遠場情況下，只需要測量不同聲源方向的頭相關傳輸函數，但精確測量全空間方向的頭相關傳輸函數的工作量已經非常大和耗時。在近場的情況，還需要測量不同聲源距離的頭相關傳輸函數。不同聲源方向和距離的組合使得測量的工作量是遠場情況的數倍。因此，按其測量效率估計，傳統的單聲源測量技術是難以完成多名受試者的頭相關傳輸函數測量的，特別是對近場頭相關傳輸函數的測量幾乎是不可能的。
[0005]為了提高測量效率，簡化測量過程，有研究采用多聲源布置的測量系統和裝置。例如:Begault等人用支架安裝了 12個揚聲器單元，可同時測量12個仰角的頭相關傳輸函數[D.R.Begault et al., Design and verification of HeadZap, a semiautomatedHRIR measurement system, the 120th Convention, 2006 May 20 - 23 Paris, France] o但是，已有的測量系統存在一定不足:
[0006]其一，現有測量系統大都是為遠場頭相關傳輸函數測量而設計的。個別的近場頭相關傳輸函數測量系統也只采用了單個聲源的傳統設計，效率不高，通常只適用人工頭(假人模型)的頭相關傳輸函數測量。目前還沒有支持真人受試者近場頭相關傳輸函數測量的多聲源測量系統；
[0007]其二，即使是多聲源頭相關傳輸函數測量系統，現有的硬件設計是基于多通路的聲卡和多通路的功放，每一個聲源對應一個通路。不同通路按一定次序播放同一個測量信號。這種多通路硬件方法一方面成本高，另一方面每次測量中不同通路增益的一致性需要仔細調節(jié)，應用中非常不方便。
[0008]其三，在現有的測量系統中，各個功能模塊之間的集成化程度不高，測量效率較低。
[0009]另外，也有研究同時采用兩通路的不相關最大長度序列(MLS)作為測試信號同時測試兩個方向的遠場頭相關傳輸函數數據V董秋潔等，一種普通環(huán)境中頭相關傳遞函數的測量系統及測量方法，國家實用新型專利，2010,申請?zhí)?01010218048'。這種方法的效率較傳統的單聲源方法提高了一倍，但不如多聲源的方法高效，并且存在兩聲源的相互干擾引起的信噪比降低問題。當把這鐘方法推廣到多聲源的情況，信噪比將會進一步降低[Λ" Xiang et al., Simultaneous acoustic channel measurement viamaximal length-related sequences, J.Acoust.Soc.Am., 2005，117 (4), Pt.1:1889-1894]?？紤]到近場頭相關傳輸函數測量中，頭部陰影作用使異側方向聲源在受聲耳產生的聲壓有大的衰減，低的測量信噪比會帶來大的測量誤差。因此多通路不相關MLS應用到近場頭相關傳輸函數測量有較大的困難。
實用新型內容
[0010]本實用新型的目的是克服了現有技術的不足，提供用于遠場和近場頭相關傳輸函數的多聲源自動測量系統。本實用新型采用不同聲源距離和多仰角聲源布置，系統控制的集成化程度高，實現自動測量和實時檢測，提高了頭相關傳輸函數的測量效率和結果可靠性；繼電器開關陣列的引入，則進一步精簡了設計，降低了實驗測量所需的硬件設備成本。
[0011]本實用新型的目的能通過如下技術方案之一予以實現:
[0012]用于遠場和近場頭相關傳輸函數的多聲源自動測量系統，其包括聲音信號播放和記錄模塊、通道控制模塊、多仰角聲源布置模塊和方位角調節(jié)模塊；其中聲音信號播放和記錄模塊、通道控制模塊、方位角調節(jié)模塊分別與計算機連接，通道控制模塊還與多仰角聲源布直1吳塊連接。
[0013]進一步優(yōu)化地，所述的聲音信號播放和記錄模塊包括雙耳傳聲器、前置放大器、聲卡、功率放大器和多個揚聲器聲源，其中雙耳傳聲器、前置放大器、聲卡、功率放大器順次連接，功率放大器通過通道控制模塊與多個揚聲器聲源連接，所述聲卡僅需要一個與功率放大器連接的聲音信號輸出通路和兩個用于記錄雙耳傳聲器撿拾得到的雙耳聲壓信號的輸入通路。
[0014]進一步優(yōu)化地，所述的多仰角聲源布置模塊包括多個同時布置在不同仰角的聲源，不同仰角聲源之間的距離通過聲源支撐桿進行調節(jié)。
[0015]進一步優(yōu)化地，所述方位角調節(jié)模塊包括數控轉臺，用于調節(jié)受試者相對于不同仰角聲源的方位角；數控轉臺能以設定的步進角度轉動或進行低速的連續(xù)轉動，滿足不同的測量要求。
[0016]進一步優(yōu)化地，所述通道控制模塊包括基于單片機的控制模塊和繼電器開關陣列；繼電器開關陣列中的繼電器開關與布置在不同仰角的聲源一一對應，按設定順序每次僅一個繼電器處于導通狀態(tài)，從而驅動對應的聲源；繼電器開關的數目不少于聲源數目。
[0017]相對于現有技術，本實用新型的優(yōu)點及有益效果包括:
[0018]1、系統的集成化程度高，實現自動測量和實時檢測，提高了頭相關傳輸函數的測量效率、精度和可靠性；
[0019]2、引入單片機控制的繼電器開關陣列切換通路信號，降低了多通路測量設備成本，同時也不需要進行通路增益的一致性的調整，簡化了測量過程。
[0020]3、適用于遠場和近場頭相關傳輸函數測量?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0021]圖1是采用多聲源的頭相關傳輸函數自動測量系統的方塊圖；
[0022]圖2是測量系統結構示意圖；
[0023]圖3a是單片機繼電器開關陣列示意圖；
[0024]圖3b是繼電器開關陣列面板布局圖；
[0025]圖4是測量結果實時檢測模塊的軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0027]實施例1)
[0028]如圖1所示,頭相關傳輸函數自動測量系統，由自動測量系統控制中心100 (可采用個人計算機A實現)，聲音播放和記錄模塊110，多仰角聲源布置模塊120，聲源的通道控制模塊130，聲源的方位角調節(jié)模塊140，實驗數據實時處理和檢查模塊150，共6個部分組成。各模塊的實現步驟包括:
[0029]步驟I):如圖2所示，聲音播放和記錄模塊110的主要設備包括聲卡111、功率放大器113、揚聲器聲源123、雙耳傳聲器114和前置放大器112。其中，聲卡111要求采用音頻流輸入輸出接口(ASIO)技術，以保證不同通路信號的同步性；聲卡僅需一個輸出通路OutI和兩個輸入通路(In I和In 2)。自動測量系統控制中心100產生的聲學測量信號(如最大長度序列MLS)，經聲卡111進行數模轉換(DA)，變成模擬信號；經功率放大后，再經通道控制模塊驅動布置在不同仰角的揚聲器聲源123 ;聲源發(fā)出的聲波，由放置在受試者雙耳處的雙耳傳聲器進行撿拾，所得雙耳聲壓信號經前置放大器141后輸入聲卡；聲卡與自動測量系統控制中心100之間用USB線連接進行數據傳輸。
[0030]步驟2):多仰角聲源布置模塊120主要包括仰角定位環(huán)121、不同長度的聲源支撐桿122和多個揚聲器聲源123,最多可布置64個揚聲器聲源。為了改善不同仰角測量信號的一致性，一方面要選擇一致性較好的揚聲器單元作為測試聲源，要求不同聲源的幅度頻率響應的差別在一定頻段范圍內不大于2?3 dB ;另一方面，還需要對不同聲源分別進行聲源特性均衡等信號處理，以進一步改善不同仰角測量數據的一致性。
[0031]步驟3):通道控制模塊130由基于單片機的控制模塊131和繼電器開關陣列132構成。例如，圖3a所示的/7個繼電器305 (K1-Kn)組成的開關陣列，最多可依次驅動/7個通路的揚聲器聲源123，進行測量。自動測量系統控制中心100通過串口線302與單片機控制模塊131相連，通過計算機發(fā)出指令設置單片機控制模塊的具體參數(如開關順序、導通時間、間隔時間等)。通道控制模塊的面板示意圖如圖3b所示，電源接口 303用于提供直流電；繼電器開關陣列132的繼電器305采用矩形排布，可以節(jié)約空間；將繼電器開關陣列的輸出接口 304排列在面板邊緣，以方便焊接和安裝。
[0032]步驟4):方位角調節(jié)模塊140由數控轉臺142及轉臺控制模塊141組成。自動測量系統控制中心100發(fā)出指令，設置轉臺轉動的參數(如轉動間隔、停頓時間等)。通常數控轉臺產品提供了 C語言或Matlab語言等現成的接口文件，方便程序系統的集成。
[0033]步驟5):數據實時處理和檢測模塊150配置在另一臺計算機B上(可遠程單獨布置或配置在自動測量系統控制中心的計算機上)，通過網線與自動測量系統控制中心100的計算機A相連接，對實驗測量的數據進行實時掃描和處理。其處理流程圖如圖4所示，包括:用上升沿法確定測量信號延時401 ;對測量信號進行解卷積402，以得到頭相關脈沖響應(HRIR，與頭相關傳輸函數互為傅立葉變換)；對聲源和傳聲器的特性進行均衡403 ;對均衡后的信號進行低頻補償的算法處理404，改善測量頭相關傳輸函數的低頻特性；加時間窗消除環(huán)境反射聲的影響405 ;實時對結果進一步運算和分析，展示頭相關傳輸函數測量數據的特性曲線406，可選擇幅度譜、相位譜、雙耳幅度差(ILD)、雙耳時間差(ITD)等曲線。例如，用相關法得出雙耳時間差ITD，并繪制不同仰角的ITD，通過檢測ITD的變化規(guī)律，判斷實驗數據的合理性。
[0034]采用上述步驟的測量系統，測量時間可根據測量信號的長度和頭相關傳輸函數的空間采用密度進行預測。具體的預測方法可按下面例子的步驟進行:
[0035]1)測量信號采用10段14階的最大長度序列，96kHz采樣頻率，每個聲源播放一次的時延共 10 X214 +96000 =1.7 秒；
[0036]2)測量信號每播放一次，停留時間0.5秒，期間繼電器開關進行通路切換；
[0037]3)若某個聲源距離的仰角從-30度到90度按7.5度等間隔采樣，則產生有16個仰角；
[0038]4)對于某個聲源距離和聲源仰角，其聲源方位角從O度到360度按5度等間隔采樣，則產生73個空間方位角；
[0039]5)數控轉臺轉一周累計約2分鐘；
[0040]6)在某個聲源距離完成上述聲源空間方向的HRTF測量，共耗時約:
[0041]T = (1.7 +0.5) X 16 X73 +60 秒 + 2 ~45 分鐘.[0042]可見，采用本實用新型的多聲源自動測量系統，較大程度地提高了測量效率。
[0043]從上述的實例可見，根據本實用新型的采用多聲源的頭相關傳輸函數多聲源自動測量系統，適合于近場和遠場頭相關傳輸函數快速測量；其聲音信號播放僅需一個通路，聲音信號記錄僅需兩個通路，一般的聲卡和功放即可滿足要求，與傳統的多路聲卡和功放的方式相比，節(jié)約了成本，提高了測量效率。該實用新型還適用于其它對多聲源測量有需求的電聲應用場合。
[0044]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.用于遠場和近場頭相關傳輸函數的多聲源自動測量系統，其特征在于包括聲音信號播放和記錄模塊、通道控制模塊、多仰角聲源布置模塊和方位角調節(jié)模塊；其中聲音信號播放和記錄模塊、通道控制模塊、方位角調節(jié)模塊分別與計算機連接，通道控制模塊還與多仰角聲源布置模塊連接。
2.根據權利要求1所述的多聲源自動測量系統，其特征在于:所述的聲音信號播放和記錄模塊包括雙耳傳聲器、前置放大器、聲卡、功率放大器和多個揚聲器聲源，其中雙耳傳聲器、前置放大器、聲卡、功率放大器順次連接，功率放大器通過通道控制模塊與多個揚聲器聲源連接，所述聲卡僅需要一個與功率放大器連接的聲音信號輸出通路和兩個用于記錄雙耳傳聲器撿拾得到的雙耳聲壓信號的輸入通路。
3.根據權利要求1所述的多聲源自動測量系統，其特征在于:所述的多仰角聲源布置模塊包括多個同時布置在不同仰角的聲源，不同仰角聲源之間的距離通過聲源支撐桿進行調節(jié)。
4.根據權利要求1所述的多聲源自動測量系統，其特征在于:所述方位角調節(jié)模塊包括數控轉臺，用于調節(jié)受試者相對于不同仰角聲源的方位角；數控轉臺能以設定的步進角度轉動或進行低速的連續(xù)轉動，滿足不同的測量要求。
5.根據權利要求1所述的多聲源自動測量系統，其特征在于:所述通道控制模塊包括基于單片機的控制模塊和繼電器開關陣列；繼電器開關陣列中的繼電器開關與布置在不同仰角的聲源 對應，按設定順序每次僅一個繼電器處于導通狀態(tài)，從而驅動對應的聲源；繼電器開關的數目不少于聲源數目。
【文檔編號】H04S3/00GK203523041SQ201320623455
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】余光正, 劉昱, 謝菠蓀 申請人:華南理工大學