本发明专利技术涉及一种扬声器系统的非线性失真测量与音质调谐系统，探究扬声器系统的谐波失真特性与器乐声/语音声的谐波特征在物理层面和听觉心理层面之间的共通性，依据声音谐和性理论基础，通过创新性的音频信号处理算法，对扬声器系统的输入音频流信号进行实时的非线性预调控，使输入音频信号的谐波特征与扬声器系统的非线性特性之间进行调谐，实现扬声器系统输出声信号的谐和性改变，从而提升扬声器系统重放声音的悦耳感。本发明专利技术在不改变扬声器系统物理结构和工艺的前提下，实现对扬声器系统的非线性音质调谐，既控制了扬声器制作的成本，又有效地改善扬声器系统的失真听感，同时还能充分发挥数字音频信号处理平台的灵活性与多功能性。
A Nonlinear Measurement and Tuning System for Loudspeaker System
【技术实现步骤摘要】
一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统
本专利技术涉及音响系统的非线性失真测量与音质听感补偿创新
，尤其涉及一种扬声器系统非线性失真测量与音质调谐系统。
技术介绍
如图1所示，扬声器系统的低频和高频非线性失真是一个非常普遍的现象，这也是导致其音质不好的本质原因。传统的扬声器音质改善手段是在扬声器的材料、结构和工艺上进行改善，但是这种方法达到一定程度后会受到其它
和经济成本的制约。而随着DSP技术的广泛应用，通过音频信号处理的方式进行扬声器音质补偿是一个必然趋势。目前关于扬声器非线性失真问题的讨论大都处于理论研究层面，实际的应用解决方案和相关产品非常少见，常见的扬声器非线性失真数字补偿技术可归纳为以下三种：(1)基于Volterra建模的预失真补偿；该方法需要首先求得扬声器系统的N阶Volterra模型的逆系统，用来构建一个N阶的预失真滤波器，把它串联到系统的输入回路中对输入信号进行预失真处理后再馈给放大器，使得扬声器系统的输出信号中不包含2—N阶非线性失真成分，从而实现扬声器系统的非线性预失真补偿。根据Weierstrass准则，只有在系统的输入信号足够小时，才能保证Volterra级数的收敛性，所以，Volterra逆滤波器总是插在功率放大器的前面。另外，要取得对扬声器系统非线性的精确建模，需要估计足够多的Volterra阶数才能实现，而高阶的Volterra滤波器在实际应用中很难实现，所以，通常都会假定待测系统可由前两阶或三阶volterra核进行近似，如图1所示，即假定系统为弱非线性的情形，这样Volterra级数模型的实际应用范围就被大大限制了。(2)Klippel镜像滤波的补偿方法；从一个待测扬声器系统的非线性微分方程中得出描述其传输特性的滤波器结构，创建一个非线性特性与该扬声器系统非线性特性相反的滤波器系统，用来补偿该扬声器的非线性失真。这种滤波器的结构跟某个具体的扬声器系统非常密切，它有一个修正子系统，可根据扬声器系统等效电路的非线性元件的镜像对称结构进行设计，所以称之为“镜像滤波器”，如图2所示。这个滤波器由最少量的线性和非线性子系统构成，也可通过数字信号处理来实现。对扬声器特性的模拟精度是受测量精度限制的。镜像滤波器的优点是它对大信号、小信号以及高阶失真均有一定的补偿效果。与前面利用Volterra级数的补偿方法相比，该方法实现所用的元件更少，成本更低。(3)自适应逆滤波补偿方法；前面所述的两种补偿方法都属于前馈式补偿，都无法解决实际扬声器系统和其模型之间的不一致性问题，以及扬声器在发热等因素作用下的参数变化，这些问题只能由自适应技术来解决。自适应系统从期待输出信号与实际输出信号之间的差值出发，按照某种算法来调整系统结构。Klippel(1998)提出了一种扬声器非线性自适应控制方法，其处理流程如图3所示，它把输入信号分成两路：一路经过被控系统(扬声器、传声器以及外来噪声)及其逆模型到达比较器；另一路经延时后径送比较器得出误差。利用误差来修正逆模型和控制器的相关参数。当误差函数的期望值达到其最小均方值时，就认为系统已经实现最佳控制，这就是自适应滤波算法中的最小均方误差(LeastMeanSquare，LMS)方法。在专业音响领域，除了录音监听之外，人耳听觉所追求的是声音悦耳好听，消费类音响领域更是如此，追求极端的真实感和对原声的还原度往往是不切实际的。从声音悦耳的角度来看，要使得声音好听，就要保持或增加声音的乐感，使其具有乐音的特点。而乐音特征最突出的表现形式就是音乐协和性，表现为谐波列的规则性。通过乐音谐波规则的调制可以调控其谐和性和乐感，从而改变声音的音质。在音响工程实践中，技术人员已经意识到这个问题。例如，通过改变扬声器的结构使其偶次谐波失真大于奇次谐波失真，由此在不降低总谐波失真的条件下可以改善音质，这其实就是偶次谐波的谐和性高于奇次谐波的原理。乐音谐和性是声音谐和性问题中最为经典的研究对象，并且人们常常把它与听感悦耳度关联起来。根据音乐声学中乐器声听感研究相关结论进行了归纳，如表1所示。乐音的谐波结构规则性是影响其听感的主要因素，但与听感悦耳度之间没有体现直接关联。因为悦耳感本身反映了人们对某一声音的听感满意程度，通常在听者对某一声源不熟悉的情况下，悦耳度是对其整体音质评价最有效的指标，而对乐音谐和性的听感评价需要建立在一定认知基础上。所以，乐音谐和性是听感悦耳感的基础，对于不同听音者来说谐和性并不能等同于听感悦耳度。表1声音物理要素与听感关联表
技术实现思路
本专利技术设计了一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其解决了传统扬声器系统的非线性失真补偿技术的难点和问题。为了解决上述存在的技术问题，本专利技术采用了以下方案：一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，包括非线性失真与音质评测模块和非线性音质调谐模块；所述非线性失真与音质评测模块用于对非线性失真测试信号的生成、测试信号的发送与接收、测试信号的频谱分析以及非线性失真评测结果分析显示与数据存储；所述非线性音质调谐模块依据所述非线性失真评测结果进行音质调谐模式配置、实际音频信号输入、非线性音质调谐实时处理、扬声器系统输出。优选的，所述扬声器系统非线性失真与音质评测模块包括测试信号生成单元和谐波频谱计算单元；所述测试信号生成单元给所述扬声器系统逐次发送谐波复合音信号，并对传声器采集的谐波复合音通过所述谐波频谱计算单元进行谐波频谱计算，生成相应的谐波调制数据表发送至所述非线性音质调谐模块。优选的，所述谐波复合音测试信号的基频、谐波个数、相位分布模式和时长均可以自定义；或者，所述谐波复合音测试信号总体频谱特性非常接近实际的音乐和语音类声，并且从精细的谐波结构上也与乐器声类似。优选的，所述谐波复合音信号的整体频率范围为22Hz-20kHz，其基频值根据常见乐器的音高范围设定了7组，每组包含12个不同基频取值，其频率值与音乐中的一个八度音程范围内的12个半音音高相对应，其音乐中的音高名称表示和对于基频频率值如表1所示：音高CC#DD#EFF#GG#AA#B基频/Hz6569737882879298104110117123音高cc#dd#eff#gg#aa#b基频/Hz131139147156165175185196208220233247音高c1c1#d1d1#e1f1f1#g1g1#a1a1#b1基频/Hz262227294313331349369391415440471494音高c2c2#d2d2#e2f2f2#g2g2#a2a2#b2基频/Hz523554587622659698740783831880932988音高c3c3#d3d3#e3f3f3#g3g3#a3a3#b3基频/Hz104711091175124513191397148015681661176018651976音高c4c4#d4d4#e4f4f4#g4g4#a4a4#b4基频/Hz209322182349248926372794296031363322352037293951音高c5c5#d5d5#e5f5f5#g5g5#a5a5#b5基频/Hz41864440449949785474558859206272664570407459790本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其特征在于：包括非线性失真与音质评测模块和非线性音质调谐模块；所述非线性失真与音质评测模块用于对非线性失真测试信号的生成、测试信号的发送与接收、测试信号的频谱分析以及非线性失真评测结果分析显示与数据存储；所述非线性音质调谐模块依据所述非线性失真评测结果进行音质调谐模式配置、实际音频信号输入、非线性音质调谐实时处理、扬声器系统输出。
【技术特征摘要】
1.一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其特征在于：包括非线性失真与音质评测模块和非线性音质调谐模块；所述非线性失真与音质评测模块用于对非线性失真测试信号的生成、测试信号的发送与接收、测试信号的频谱分析以及非线性失真评测结果分析显示与数据存储；所述非线性音质调谐模块依据所述非线性失真评测结果进行音质调谐模式配置、实际音频信号输入、非线性音质调谐实时处理、扬声器系统输出。2.根据权利要求1所述的扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其特征在于：所述扬声器系统非线性失真与音质评测模块包括测试信号生成单元和谐波频谱计算单元；所述测试信号生成单元给所述扬声器系统逐次发送谐波复合音信号，并对传声器采集的谐波复合音通过所述谐波频谱计算单元进行谐波频谱计算，生成相应的谐波调制数据表发送至所述非线性音质调谐模块。3.根据权利要求2所述的扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其特征在于：所述谐波复合音测试信号的基频、谐波个数、相位分布模式和时长均可以自定义；或者，所述谐波复合音测试信号总体频谱特性非常接近实际的音乐和语音类声，并且从精细的谐波结构上也与乐器声类似。4.根据权利要求2所述的扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其特征在于：所述谐波复合音信号的整体频率范围为22Hz-20kHz，其基频值根据常见乐器的音高范围设定了7组，每组包含12个不同基频取值，其频率值与音乐中的一个八度音程范围内的12个半音音高相对应，其音乐中的音高名称表示和对于基频频率值如表1所示：音高CC#DD#EFF#GG#AA#B基频/Hz6569737882879298104110117123音高cc#dd#eff#gg#aa#b基频/Hz131139147156165175185196208220233247音高c1c1#d1d1#e1f1f1#g1g1#a1a1#b1基频/Hz262227294313331349369391415440471494音高c2c2#d2...
【专利技术属性】
技术研发人员：张婧颖，
申请(专利权)人：音王电声股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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