声品质客观参量三维空间分布数字图像生成方法

摘要

声品质客观参量三维空间分布数字图像生成方法，按如下步骤进行：步骤1.利用传声器阵列记录全息测量面上的全息声压数据；步骤2.三维声场声学量重构；步骤3.根据步骤2中得到的三维空间内的声学量信息，按照声压—声品质客观参量映射模型计算三维空间各点声品质客观参量（如响度、尖锐度、粗糙度等）的分布，并以三维数字图像的形式给出，实现声品质客观参量的三维空间可视化。

权利要求

1.声品质客观参量三维空间分布数字图像生成方法，按如下步骤进行：

步骤1.利用传声器阵列，传声器阵列可以是下列四者之一：刚性表面的球形传声器阵列、空心球阵列、与声源结构共形的传声器阵列或平面阵列，记录全息测量面上的全息声压数据；

在封闭内声场布置球形传声器阵列，测量并记录声场全息声压等声学量信息；在开放和半开放声场可用平面传声器阵列及其它任意形状共形传声器阵列获得全息声压数据；

步骤2.三维声场声学量重构

根据测量到的全息声压数据，通过近场声全息方法得到三维空间声场声学量的分布信息，所述的分布信息指声压、法向粒子速度和法向声强，并以三维图像的形式给出；

如采用球形传声器阵列测量的全息声压来重构三维空间的声学量分布，声场变换公式如下：式中的Amn由有下式确定：

上式中：(r,θ,φ)为声场中三维空间任意一点的球坐标；a为球形传声器阵列的半径，k为波数，k＝ω/c，ω为角频率，c为声速，ω＝2πf，f为频率；pt(a,θ,φ)为传声器阵列上采集的全息声压数据；pt(r,θ,φ,ω)为三维空间指定位置(r,θ,φ)处的重构声压； 为球谐函数，jn(kr)为球贝赛尔函数，hn(kr)为球汉克函数；“*”表示共轭，“’”表示导数，N为球谐函数扩展项数；当指定整个三维空间中声场重构点的位置，则获得整个声场的声压分布；

步骤3.根据步骤2中得到的三维空间内的声压分布，计算三维空间各点声品质客观参量的分布，并以三维图像的形式给出，实现声品质客观参量的三维可视化；

声场中单点声品质响度计算模型如下:

上式中Ni′为第i个滤波器的特征响度，ETHRQ为可听阀能量级，Ei为信号的能量级，单位均为dB，C为定值0.046871，当fi>500Hz时，ETHRQ为定值2.3067，耳蜗低频增益G为1，α为0.2，而当fi<500Hz时，ETHRQ，α均可根据ANSI提供的离散数据插值计算获得；G为耳蜗低频增益；因此总响度公式为：根据步骤2中计算得到的声场中声压的三维空间分布结果，并结合空间中单点声品质客观参量的计算模型，建立空间中声压场与响度场的耦合，矩阵映射模型为：或简写为：

PiW＝N′ (6)

式中：(r,θ,φ)为三维空间第i点的球坐标，ωm为角频率，ωm＝2πfm，fm为频率，m＝1,2…M，M为不同声源对应的频率组成个数；pi为声场中第i点处指定频率下的声压，Pi为声场中第i点处各频率下的声压重构值所组成的矢量，W为由372个滤波器w组成的听觉滤波器矩阵，表示人耳对可听频带内所有频率的响应，N′为特征响度矢量；由公式(4)对特征响度矢量N′中的各项求和便可获得声场指定点的响度，而对声场三维空间节点重复这一计算过程便可获得声场响度三维分布结果。

说明书

声品质客观参量三维空间分布数字图像生成方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及近场声全息技术、声源识别定位技术、声场可视化技术、声品质客观参量的测量评价技术以及噪声控制技术。背景技术：

[0002] 传统的噪声控制均以降低声场响应的声压级为主要目标，而研究结果表明声压级的降低并不能充分改善人对声音的主观听觉感受。噪声对于人的影响不仅与声压级有关，还与声音的频率组成、人类听觉系统的物理特性以及心理特性有关。相同声压级的两种声音由于各自频率组成的不同，会导致人在心理感觉上响度的巨大差异,因此对于噪声的评价需要引入能够反映人对声音主观和客观感受的量化指标—声品质，作为对噪声评价的参考。

[0003] 本发明应用于三维声场中声品质客观参量分布的可视化以及与人听觉感受最密切的声源的空间定位。现有声品质分析和测量方法对指定三维空间内的声音进行声品质评价时，只能得到三维空间中指定的某一测量位置的声品质客观参量信息，不能得到整个三维空间内声品质信息的分布以及可视化图像，因而不仅不能对整个三维空间声场的声品质好坏进行评价，更不能给出与声品质相关的声源的空间位置。发明内容：

[0004] 本发明要克服现有技术的下列缺点：1.克服单独使用现有声品质客观参量测量、计算分析和评价方法及技术，通过一次测量不能给出整个三维空间内的声品质分布以及可视化图像，也不能给出与声品质客观参量相关的声源位置信息的缺陷。2.克服单独采用近场声全息方法分析三维空间声场分布时没有考虑人的主观听觉感受因素，不能给出声场中与人主观听觉感受密切相关的声源位置的缺陷。本发明提供近场声全息方法与声品质客观参量分析方法相结合的声品质客观参量三维数字图像生成方法。

[0005] 本发明提出的声品质客观参量三维数字图像生成方法，其计算结果在给出声场分布的同时，也能给出影响人主观听觉感受最大的声源空间位置信息，并提供整个三维空间内声品质客观参量分布的图像，从而为降噪和声品质改善提供可视化的、最直接的指导。

[0006] 本发明按如下步骤进行：

[0007] 1.利用传声器阵列（传声器阵列可以是刚性表面的球形传声器阵列、空心球阵列、与声源结构共形的传声器阵列或平面阵列）记录全息测量面上的全息声压数据。

[0008] 在封闭声场布置球形传声器阵列，测量并记录声场声压信息。在开放和半开放声场可用平面传声器阵列及其它任意形状共形传声器阵列获得全息声压数据。

[0009] 2.三维声场声学量重构

[0010] 根据测量到的全息声压数据，通过近场声全息方法得到三维空间声场声学量的分布信息（声压、法向粒子速度和法向声强等），并以三维图像的形式给出。

[0011] 采用球形传声器阵列测量的全息声压来重构三维空间的声学量分布，声场变换公式如下：

[0012]

[0013] 式中的Amn由有下式确定：

[0014]

[0015] 上式中：(r,θ,φ)为声场中三维空间任意一点的球坐标；a为球形传声器阵列的半径，k为波数，k=ω/c，ω为角频率，c为声速，ω=2πf，f为频率。pt(a,θ,φ)为传声器阵列上采集的全息声压数据；pt(r,θ,φ,ω)为三维空间指定位置(r,θ,φ)处的重构声压； 为球谐函数，jn(kr)为球贝赛尔函数，hn(kr)为球汉克函数；“*”表示共轭，“’”表示导数，N为球谐函数扩展项数。当指定整个三维空间中声场重构点的位置，则获得整个声场的声压分布。

[0016] 3.根据2中得到的三维空间内的声场信息，计算三维空间各点声品质客观参量（如响度、尖锐度、粗糙度等）的分布，并以三维图像的形式给出，实现声品质客观参量的三维可视化。

[0017] 声场中单点声品质响度计算模型如下:

[0018]

[0019] 上式中N′i为第i个滤波器的特征响度，ETHRQ为可听阀能量级，Ei为信号的能量级，单位均为dB，C为定值0.046871，当fi>500Hz时，ETHRQ为定值2.3067，耳蜗低频增益G为1，α为0.2，而当fi<500Hz时，ETHRQ，α均可根据ANSI提供的离散数据插值计算获得。G为耳蜗低频增益。因此总响度公式为：

[0020]

[0021] 根据2中计算得到的声场中声压的三维空间分布结果，并结合空间中单点声品质客观参量的计算模型，建立空间中声压场与响度场的耦合三维矩阵映射模型，即：

[0022]

[0023] 或简写为：

[0024] PiW=N′ (6)

[0025] 式中：(r,θ,φ)为三维空间第i点的球坐标，ωm为角频率，ωm=2πfm，fm为频率，m=1,2…M，M为不同声源对应的频率组成个数。pi为声场中第i点处任一频率下的声压，Pi为声场中第i点处各频率下的声压重构值所组成的矢量，W为由372个滤波器w组成的听觉滤波器矩阵，表示人耳对可听频带内所有频率的响应，N′为特征响度矢量。由公式(4)对特征响度矢量N′中的各项求和便可获得声场指定点的响度，而对声场三维空间节点重复这一计算过程便可获得声场响度三维分布结果。其它声品质客观量三维分布结果也可采用与响度计算类似的分析流程获得，见附图1。

[0026] 通过上述方法能够给出被测空间内各个位置的声品质客观参量值，并以三维图像的形式给出其空间分布，进而可识别出对人主观听觉影响最大的声源位置。附图说明：

[0027] 图1.本发明所述的声品质客观参量三维分布的计算流程图

[0028] 图2.球形传声器阵列示意图

[0029] 图3.球形传声器阵列及双声源声场分布示意图

[0030] 图4(a).3.5kHz(69dB)和1kHz(75dB)两点声源声场的响度和声压计算结果对比[0031] 图4(b).3.5kHz(69dB)和1kHz(75dB)两点声源声场的尖锐度和声压计算结果对比

[0032] 图4(c).3.5kHz(70dB)和7kHz(76dB)两点声源声场的响度和声压计算结果对比[0033] 图4(d).3.5kHz(70dB)和7kHz(76dB)两点声源声场的尖锐度和声压计算结果对比具体实施方案：

[0034] 下面通过具体实施例子对本发明作进一步的描述。参照附图：

[0035] 本发明提出的声品质客观参量三维数字图像生成方法，其计算结果在给出声场分布的同时，也能给出影响人主观听觉感受最大的声源空间位置信息，并提供整个三维空间内声品质客观参量分布的图像，从而为降噪和声品质改善提供可视化的、最直接的指导。

[0036] 本发明按如下步骤进行：

[0037] 1.利用传声器阵列（传声器阵列可以是刚性表面的球形传声器阵列、空心球阵列、与声源结构共形的传声器阵列或平面阵列）记录全息测量面上的全息声压数据。

[0038] 在封闭声场布置球形传声器阵列，测量并记录声场声压信息。在开放和半开放声场可用平面传声器阵列及其它任意形状共形传声器阵列获得全息声压数据。

[0039] 2.三维声场声学量重构

[0040] 根据测量到的全息声压数据，通过近场声全息方法得到三维空间声场声学量的分布信息（声压、法向粒子速度和法向声强等），并以三维图像的形式给出。

[0041] 采用球形传声器阵列测量的全息声压来重构三维空间的声学量分布，声场变换公式如下：

[0042]

[0043] 式中的Amn由有下式确定：

[0044]

[0045] 上式中：(r,θ,φ)为声场中三维空间任意一点的球坐标；a为球形传声器阵列的半径，k为波数，k=ω/c，ω为角频率，c为声速，ω=2πf，f为频率。pt(a,θ,φ)为传声器阵列上采集的全息声压数据；pt(r,θ,φ,ω)为三维空间指定位置(r,θ,φ)处的重构声压； 为球谐函数，jn(kr)为球贝赛尔函数，hn(kr)为球汉克函数；“*”表示共轭，“’”表示导数，N为球谐函数扩展项数。当指定整个三维空间中声场重构点的位置，则获得整个声场的声压分布。

[0046] 3.根据2中得到的三维空间内的声场信息，计算三维空间各点声品质客观参量（如响度、尖锐度、粗糙度等）的分布，并以三维图像的形式给出，实现声品质客观参量的三维可视化。

[0047] 声场中单点声品质响度计算模型如下:

[0048]

[0049] 上式中N′i为第i个滤波器的特征响度，ETHRQ为可听阀能量级，Ei为信号的能量级，单位均为dB，C为定值0.046871，当fi>500Hz时，ETHRQ为定值2.3067，耳蜗低频增益G为1，α为0.2，而当fi<500Hz时，ETHRQ，α均可根据ANSI提供的离散数据插值计算获得。G为耳蜗低频增益。因此总响度公式为：

[0050]

[0051] 根据2中计算得到的声场中声压的三维空间分布结果，并结合空间中单点声品质客观参量的计算模型，建立空间中声压场与响度场的耦合三维矩阵映射模型，即：

[0052]

[0053] 或简写为：

[0054] PiW=N′ (6)

[0055] 式中：(r,θ,φ)为三维空间第i点的球坐标，ωm为角频率，ωm=2πfm，fm为频率，m=1,2…M，M为不同声源对应的频率组成个数。pi为声场中第i点处任一频率下的声压，Pi为声场中第i点处各频率下的声压重构值所组成的矢量，W为由372个滤波器w组成的听觉滤波器矩阵，表示人耳对可听频带内所有频率的响应，N′为特征响度矢量。由公式(4)对特征响度矢量N′中的各项求和便可获得声场指定点的响度，而对声场三维空间节点重复这一计算过程便可获得声场响度三维分布结果。其它声品质客观量三维分布结果也可采用与响度计算类似的分析流程获得，见附图1。

[0056] 本实施例子中，均以球形阵列作为测量阵，如图2所示，球面上非均匀分布着36个传声器，传声器之间的间距不等。

[0057] 1.如图3所示，在空间中布置两个脉动球源：声源1的参数设置为1kHz、75dB，放置在空间直角坐标系的x正半轴上0.3m处(0.3m,0,0)；声源2的参数设置为3.5kHz、69dB，放置在空间直角坐标系的x负半轴上0.3m处(-0.3m,0,0)，即两声源间的夹角θ为180°，球形传声器阵列(如图2)的半径a为0.1m。采用本发明给出的计算方法重构半径为0.2m处的声压、响度和尖锐度的三维空间分布图。图4(a)是1kHz、75dB的声源1和3.5kHz、69dB的声源2两声源同时存在时的声压和响度的三维空间分布计算结果的比较图。图4(b)是1kHz、75dB的声源1和3.5kHz、69dB的声源2两声源同时存在时的声压和尖锐度的三维空间分布计算结果的比较图。

[0058] 2.同样采用1所述的双声源声场模型，但声源1的参数设置为7kHz、70dB，放置在空间直角坐标系的x正半轴上0.3m处(0.3m,0,0)；声源2的参数设置为3.5kHz、76dB，放置在空间直角坐标系的x负半轴上0.3m处(-0.3m,0,0)，两声源间的夹角θ仍为180°。图4(c)和图4(d)分别是7kHz、70B的声源1和3.5kHz、76dB的声源2两声源采用本方法重构半径为0.2m处的球面的声压、响度和尖锐度的三维空间分布计算结果的比较图。

[0059] 对比分析上述图给出的结果，与传统根据声压来识别定位声源的声全息方法不同，本发明提供的方法能够获得声场的声品质客观参量的三维空间分布信息，并识别出与人主观听觉密切相关的声源位置信息，图4给出了响度和尖锐度等声品质客观参量的三维空间分布图，实现了依据人的主观听觉感受的声源定位，对比图4(a)和图4(b)、图4(c)和图4(d)，可以发现声压最大的空间位置与响度最大的空间位置并不相同，而响度最大的空间位置与尖锐度最大的空间位置也并不相同。因此，要根据人主观听觉感受的定位关键声源并采取相应的措施才能真正实现声场降噪和声品质改善的目的。