[发明专利]基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法和装置

权利要求书

1.一种基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，包括如下步骤：

（1）将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列；

（2）利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量； 

（3）按照最优的相位延迟矢量控制多阵元通道的传输信号进行相位延迟调整；

（4）将延迟调整后的多通道信号送至多通道功率放大器，以驱动扬声器阵列产生均匀声场。

2.根据权利要求1所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于：步骤1中所述的指定二次剩余序列，该序列由如下公式产生：

                                                   ,

其中c_n为指定二次剩余序列的第n个元素，N为序列长度，mod表示取模。

3.根据权利要求1所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于：步骤1中所述的指定二次剩余序列，其序列长度N大于阵元数L，序列长度N的最小取值N_min大于10×L。

4.根据权利要求1所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于：步骤1中所述的将指定二次剩余序列按照阵元数进行切块，产生多个二次剩余子序列，其具体实现流程如下：

设指定的二次剩余序列表达式为:

,

按照阵元数L对二次剩余序列c_N进行切块，生成M个子序列，其中N>M×L经序列分割后，序列c_N可以由二次剩余子序列表示为：

,

其中为序列分割后产生的第i个二次剩余子序列，可以表示为：

。

5.根据权利要求4所述的基于二次剩余序列组合的扬声器阵列声场控制方法，其特征在于：步骤2中所述的利用这些子序列设计出最优的阵列相位延迟矢量，其具体实现流程如下：

由第i个长度为L的二次剩余子序列构造用于阵元数为L的阵列相位延迟控制矢量为：

，

其中为对应于第l个阵元的相位延迟量，其表达式为：

，

其中为相位延迟常量，其表达式为：

；

将由多个二次剩余子序列构造的阵列相位延迟矢量进行组合，假设按照二次剩余子序列的序号i由、、…、组合形成的二次剩余序列的组合序列为，其表达式为：

其中1≤K≤M，由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量为，其表达式：

其中；

假设在自由空间中，对L元扬声器阵列在半径为r的半圆形空间内的辐射声场进行S点离散采样，第s个观察点Q_s与坐标原点O的连线与阵列法线的夹角为Q_s，其中，将扬声器阵列的中心位置定义为坐标原点，则第s个观察点Q_s的坐标表示为：

，

第l个阵元的位置坐标表示为：

；

假设第l个阵元与第s个观察点之间的距离为，其表达式如下：

      ；

在声源信号频率为f时，第l个扬声器阵元在第s个观察点Q_s处的辐射声压表示为：

其中A为声源信号的幅度，为波数，c为声波的传播速度，忽略掉声源信号幅度A和声源信号相位的影响，则第l个扬声器阵元在第s个观察点Q_s处的辐射声压表达式简化为：

，

整个扬声器阵列在第s个观察点Q_s处的辐射声压表示为:

；

将由二次剩余序列的组合序列构造的阵列相位延迟矢量引入到扬声器阵列中，按照矢量对各阵元进行相位延迟控制，则经相位延迟后整个阵列在第s个观察点Q_s处的辐射声压表示为：

；

将经相位延迟调整后扬声器阵列在所有观察点上的辐射声压排成一个列矢量，其表达式为：

，

对应于所有这些观察点的声压幅度矢量表示为：

，

扬声器阵列在所有观察点声压幅度矢量的方差估计值表示为：

其中为声压幅度矢量的均值；

当阵列在分别施加由二次剩余序列的各组合序列、、…、、…、所生成的各相位延迟矢量、、…、、…、时，分别计算出各延迟矢量控制情况下所有观察点声压幅度矢量的方差估计值序列为：、、…、、…、,将上述各方差估计值排成一个列矢量，其表达式为：

通过分析比较方差估计矢量的各元素数值大小，找出最小方差估计值所对应的相位延迟矢量作为最优的相位延迟矢量，利用该最优相位延迟矢量对阵列进行相位延迟调整，获得最优的阵列辐射声场，假设声压幅度矢量的方差估计值矢量中具有最小值的方差估计值索引号为K_opt，其所对应的最小方差估计值表达式为：

，

这一最小方差估计值所对应的施加于阵列的最优相位延迟矢量为：

，

其中；

在设计扬声器阵列在宽带声源信号输入情况下最优相位延迟矢量时，将整个宽频带按照指定的频率间隔进行离散化，找出每个离散频点处阵列的最优相位延迟矢量所对应的序列索引号，并将这些最优矢量的序列索引号排列成一个索引号矢量，最后对索引号矢量求平均值得到平均的序列索引号，利用平均的序列索引号所对应的最优相位延迟矢量作为阵列在宽带辐射时的最优相位延迟矢量，假设将扬声器阵列的工作频带离散化为W个频点，那么由这一离散化频点序列所组成的离散化频率矢量为：

,

在第w个频率样本点处，当阵列在分别施加由二次剩余序列的各组合序列、、…、、…、所生成的各相位延迟矢量、、…、、…、时，分别计算出各延迟矢量控制情况下所有观察点声压幅度矢量的方差估计值序列为：、、…、、…、，将上述各方差估计值排成一个列矢量，其表达式为：

，

通过分析比较方差估计矢量的各元素数值大小，找出方差估计值矢量中具有最小值的方差估计值索引号为，其所对应的最小方差估计值为，这一最小方差估计值所对应的施加于阵列的最优相位延迟矢量为： 

，

其中，

按照这一分析过程，依次找出每个离散频率点处的最优相位延迟矢量和其所对应的序列索引号，将所有频点处所得到的最优相位延迟的序列索引号排成一个列矢量，其表达式为：

，

计算这一索引号矢量的平均值为：

，

其中运算符[X]表示小于等于X的最大整数部分，按照这一索引号的平均值，找出其所对应的用于施加于宽带阵列的最优相位延迟矢量为： 

，

其中，将最优相位延迟矢量用于扬声器阵列中，即可得到阵列在整个指定的宽频带范围内具有最优的声场辐射特性。