英波声学专利发明-一种智能音乐厅调控方法

一种智能音乐厅调控方法及调控装置
技术领域
本发明涉及厅堂音质设计及调控的技术，尤其是涉及一种基于声场预测、优化、测量和音质评价原理的智能音乐厅调控方法及调控装置。

背景技术
音乐厅和剧院基本上是以自然声(即乐器声和人声)为主的观演场所，对音质有很高的要求，如响亮、清晰、悠长、亲切、震撼等要求，以便使观众沉浸在音乐之中。

传统的音乐厅和剧院基本上都采用固定的声学装修，因此其音质是固定的。

这类厅堂一般只是针对某种风格的音乐表现出较好的音质,其他风格的音乐只能被动地适应其固有的音质，不一定能获得理想的演出效果，其音质不能随着不同风格的音乐对混响时间、响度以及音色的不同要求而变化，也不能根据乐队的规模和乐器种类而做出相应的调整。

当今时代的音乐流派众多，风格纷繁，对音乐厅音质的要求日趋个性化，这就导致了固定音质类的音乐厅适应性差的缺陷。

目前克服这个问题的通常做法是在同一建筑群内建造几座音质不同的专业厅堂如剧院、音乐厅和多功能厅，这种做法在建造和运营过程中耗费了极大的财力和资源，却不能完全克服这个问题，因为它也就只能用几种固定的音质去对付众多的音乐演出风格。

目前在部分音乐厅内常用可变吸声体或耦合空间等方法调整混响时间,以期增强其音质的适应性。

但音质并不只是由混响时间唯一确定的，还与响度因子、明晰度因子、侧向反射分量，双耳相关系数、低音比、初始时延等客观因子参量相关，只调整混响时间的做法是片面的，不能保证调整后的音质是满意的。

加之混响时间调整的设备大部分是由非专业人员控制，麻烦且调控不易到位，因此国内音乐厅、剧场内的这类可调混响设备建成后很少发挥作用。

本发明就是针对上述问题而提出的。

在当今建筑声学设计、多目标优化、声学测量、音质评价，以及自动化控制和信息网络理论迅速发展的条件下，完全可以利用这些科研成果构建一个智能化音乐厅，
针对不同的音乐风格和观众喜好，轻松提供最佳的、个性化的音质，做到一厅多用、优用，提高每个厅堂的使用率，把节省出来的建造和运营资金用来建造更多的与居民关系更紧密的社区演艺设施,对于多快好省地发展演艺事业，推动我国的文化支柱产业发展，具有极大的社会和经济价值。

随着生活水平的调高，家庭影院、家庭音乐厅也会进入寻常百姓家，对建声环境和音响系统的摆位都有较高的要求。

本发明同样适合于这类空间的音质调控。

发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能音乐厅调控方法及调控装置，通过优化厅堂关键部位的声学边界条件，改变可变声学单元的空间位置、姿态和吸声/散射性能，使其脉冲响应以最佳的方式从音质特征上逼近目标厅堂的脉冲响应，从而达到音质的接近(包括客观参量和听觉感受)，因为双耳脉冲响应基本上可以反映厅堂关于音质上的全部属性。

其本质是通过优化系统的结构参数，达到优化系统输出之目的。

为了确保音质寻优的成功，整个调控系统采用了闭环反馈的方式:上半环以音质调控为主一一根据音质目标进行边界条件优化，寻找最佳声学单元参量，调控声学单元状态;下半环以音质评价为主一一对调控后的音乐厅进行现场声学测量，对测量结果进行判断，根据评价结果确定是否继续调控，启动上半环的程序。

整个调控过程具有自适应性一一重新进行新一轮的音质调控时，系统能够根据新的声场实测结果改进声场预测子模块内的预测误差修正单元，提高预测精度，从而提高优化结果的可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案米实现:
-种智能音乐厅调控方法，其特征在于，该方法基于声场预测、优化、测量和音质评价原理，所述的调控方法包括以下步骤:
1)音质目标模块首先根据演出需求输入目标音乐厅的音质特征，即双耳脉冲响应，并根据双耳脉冲响应按照定义计算各种客观音质参量，然后将目标音质双耳脉冲响应及各种客观音质参量分别发送给音质预测与优化模块和音质评价模块;
2)音质预测与优化模块在接收到目标音质的双耳脉冲响应和客观音质参量后，对一组代表点的双耳脉冲响应和客观音质参量进行预
测和优化,根据优化结果得出最接近目标音质的边界条件，即可变声学单元的空间状态参量和声学状态参量，并将各状态参量发送给声学单元控制与动作模块;3)声学单元控制与动作模块接收到声学单元的状态参量后对优化方案进行动作指令编码，向各组可变声学单元发出动作指令，控制各组声学单元动作，使其状态参量符合优化结果，并将优化方案调控动作结束信号发送给音质测量模块;
4)音质测量模块在接收到调控动作结束信号后，测量音乐厅内一组代表点的音质特征，即双耳脉冲响应和各种客观音质参量，并将测量结果发送给音质评价模块;
5)音质评价模块在接收到音质测量模块的测量结果后，将其与目标音乐厅的双耳脉冲响应及客观音质参量进行对比，给出优化方案音质的客观评价结果;将各点实测脉冲响应和目标音乐厅的脉冲响应与即将演出的音乐节目干信号进行卷积，将卷积结果馈入音乐回放系统，播放带有音乐厅音质特征的音乐，并根据音质评价专家系统输出的分值给出优化音质方案的专家评价结果;根据客观评价和专家评价的综合结果，若优化方案不达标，则返回步骤2)，向音质预测与优化模块发出继续调控的指令;若优化方案达标,则将满意的音质调控结果传给音质模式储存模块;
6)音质模式储存模块对满意的音质调控结果进行存储，包括声学单元的状态参量、各代表点实测的双耳脉冲响应和回放音乐数字信号;储存结果可被音质预测与优化模块、声学单元控制与动作模块调用，用于音质预测与优化模块的进化，以及音质的再现。

所述的各种客观音质参量包括但不限于混响时间、响度因子、明晰度因子、侧向反射分量、双耳相关系数和舞台支持度因子;空间状态参量和声学状态参量包括但不限于声学单元的中心空间坐标、水平角度、垂直角度和频带吸声系数、散射系数;所述的音质测量模块测量的代表点的空间位置和音质预测与优化模块中的代表点相同。

所述的音质预测与优化模块包括音质预测子模块和音质优化子模块,其具体工作步骤如下:
101)音质预测子模块按照音质优化子模块提供的搜索路径计算在不同声学单元状态参量条件下，音乐厅内各代表点的双耳脉冲响应和客观音质参量，并将计算结果发送给音质优化子模块
102)音质优化子模块包括目标函数和约束条件，按照全局或局部优化方式，在设定的声学单元状态参量空间范围内，运用优化算法，搜索符合目标函数和约束条件的声学单元状态参量,其中搜索过程中将调用音质预测子模块计算出来的各代表点脉冲响应和客观音质参量计算结果,用于寻找和判定符合目标函数和约束条件的声学单元状态参量区域。

所述的音质预测子模块包括音质预测单元和误差修正单元,音质预测步骤包括:201)把声场边界条件输入给音质预测单元，包括固定的边界和可变声学单元的声学状态参量，其中声学状态参量包括但不限于阻抗、吸声系数、散射系数以及声学单元的空间状态参量;
202)利用边界元、有限元或时域差分法，以及几何声学模型分别预测低频和中高频脉冲响应，并将其合成为全频带脉冲响应;
203)把声场边界条件输入给误差修正单元计算误差项，修正由于音质预测单元建模简化误差、边界声学状态参量误差，以及几何声学模型由于忽略声场的波动性所导致的计算误差;
204)将全频带脉冲响应与误差项合成，得到修正后的脉冲响应;
205)利用修正的脉冲响应计算客观音质参量。

所述的误差修正单元是关于脉冲响应预测误差与边界条件的映射模型,是利用神经网络和误差数据组训练出来的，其中误差数据是在设定参数空间范围内，在不同的声学单元状态参量条件下，通过计算预测与实测的脉冲响应结果之差得到的。

所述的音质优化子模块包括目标函数和约束条件，其表达式如下:
式(1)是目标函数，其中I()表示第j个声源对第i个接收点处在可调声学单元状态向量X的条件下所预测的脉冲响应，l表示第j个声源对第i个接收点处的目标脉冲响应，I,(X)-表示预测和目标脉冲响应的距离，目标函数要求厅堂中关于n个激励声源分别对m个接收点处的预测脉冲响应与目标脉冲响应距离最小;
式(2)和式(3)给出约束条件，其中式(2)表示第p个声学单元第q 个参量的变化限值，式(3)表示由预测的脉冲响应所计算的第r个客观
音质参量的允许值范围;目标函数和约束条件共同规定了厅堂内脉冲响应在可变声学单元状态参量变化空间范围内所应具有的音质特征;对于第i个接收点，预测和目标脉冲响应的归一化距离表达为如下公式:
s表示脉冲响应向量的维度，Ii(X)、Iieror(X)和。

分别是第i个点在mod状态向量X条件下，声学模型模拟的脉冲响应第k段能量、神经网络预测的脉冲响应第k段的能量误差，以及目标脉冲响应第k 段的能量值;a,表示第k段能量距离的加权值;
所述的音质优化了模块采用多目标或单目标遗传算法进行全局或局部寻优。

所述的声学单元控制与动作模块包括声学单元控制子模块和声学单元动作了模块;
所述的声学单元控制子模块包括中央控制器PLC和现场控制器PLC，负责对声学单元驱动设备下达动作指令和监控其运行状态;
所述的声学单元动作子模块包括观众厅和舞台上的可变声学单元以及驱动单元，在现场控制器PLC的控制下进行动作，调整可变声学单元的中心位置、水平和垂直角度，以及声学性能，使其状态参量符合优化结果。

所述的音质测量模块包括声信号发射子模块、声信号接收子模块和信号处理子模块;
所述的声信号发射子模块包括依次连接的数字信号生成单元、D/A转换卡、功放和无指向性扬声器;
所述的声信号接收子模块包括依次连接的置于人工头双耳内的传声器、前置放大器、D/A转换卡;
所述的信号处理子模块包括计算机、信号调理单元、相关计算单元、滤波单元和客观音质参量计算单元;
在接收到优化方案调控动作结束信号后,声信号发射子模块向音乐厅内发山激励声信号，声信号接收子模块接收音乐厅内一组代表测点的声压，并将其传给信号处理子模块,信号处理子模块根据声压信号计算各点的双耳脉冲响应和客观音质参量。

所述的音质评价模块包括客观音质参量评价子模块、音质评价专家系统子模块、综合音质评价子模块;所述的音质评价模块在接收到音质测量结果后,将其与目标音乐厅的脉冲响应及客观音质参量进行对比，对音质调控结果进行评价，具体包括以下步骤:
501)客观音质参量评价子模块包括客观音质参量偏离度计算单元、客观因子参量评价计权单元;所述的客观因子参量偏离度计算单元计算实测与目标脉冲响应的距离，以及各种客观音质参量相对偏差;所述的客观因子参量评价计权单元对脉冲响应距离和各种客观音质参量的相对偏差进行计权，得到单一客观评价量;
第j个客观音质参量对各计算点平均的相对偏差的计算公式是:
式中Y;(X)和Y(X)分别表示第i个点第j客观音质参量的实测值和目标值，n表示音乐厅内音质测点的数目;
单一客观评价量的计算公式是:
式中秒分别表示第j个因子参量的权重和分值，m表示客观音质参量的个数;502)音质评价专家系统子模块包括预演音乐数字信号生成单元、回放单元以及专家评价单元,所述的预演音乐数字信号生成单元把实测的优化方案的脉冲响应和目标脉冲响应，与预备演出的音乐干信号进行卷积，得到带有音乐厅音质特征的音乐信号;该信号馈入回放单元，供专家评价单元比较、评价，给出专家评价量;
503)综合音质评价子模块包括综合评价计权单元和音质调控结果判断单元，所述的综合评价计权单元把客观音质参量评价子模块和音质评价专家系统子模块的评价结果进行计权，得到音质评价综合分值;所述的音质调控结果判断单元根据音质评价综合分值和阈值，判断音质优化方案是否达标;
当综合分值大于80，视调试结果达标，则将相应的声学单元状态参量、各点实测脉冲响应和回放音乐数字信号传给音质模式存储模
块;当综合分值小于80，视调试结果不达标，则将调试不成功的信号发送给音质预测与优化模块，指令其继续进行音质优化与调控，继续调控的步骤如下:(1)把优化方案的各点实测脉冲响应结果传给音质预测单元，利用该结果对误差修正单元进行重新训练，产生进化的误差修正单元;
(2)重复所有的音质调控程序，直至寻找到符合目标音乐厅音质特征的声学单元状态参量。

-种智能音乐厅调控方法的调控装置，其特征在于，包括音质目标模块、音质预测与优化模块、声学单元控制与动作模块、音质测量模块、音质评价模块和音质模式储存模块;
所述的音质目标模块、音质预测与优化模块、声学单元控制与动作模块依次连接，负责声学单元状态参量的优化和调控，所述的音质测量模块、音质评价模块、音质模式储存模块依次连接，负责对声学单元调控后音乐厅内音质的测量、评价和储存，所述的声学单元控制与动作模块和音质测量模块连接，所述的音质评价模块分别与音质目标模块、音质预测与优化模块连接，形成闭环反馈控制结构，提高了音质优化的可靠性和智能化水平。

所述的音质目标模块首先根据演出需求,通过计算机数据端口输入目标音乐厅的音质特征，即双耳脉冲响应的数字文件，并根据脉冲响应计算各类客观音质参量(如混响时间、响度因子、明晰度因子、侧向反射分量、双耳相关系数、舞台支持度因子等)，然后将目标音质脉冲响应及各客观音质参量发送给音质预测与优化模块和音质评价模块;
所述的音质预测与优化模块包括音质预测了模块和音质优化了模块。

在接收到目标音质的脉冲响应和客观音质参量后,音质预测子模块按照音质优化模块提供的搜索路径计算在不同声学单元状态参量下,音乐厅内各代表点的脉冲响应和客观音质参量，并将计算结果发送给音质优化子模块;音质优化子模块将按照全局(或局部)优化的方式，在一定的声学单元状态参量空间范围内，运用优化算法，搜索符合目标函数和约束条件的声学单元状态参量，如声学单元的中心空间坐标、水平角度、垂直角度和吸声系数、散射系数等。

搜索过程中将调用音质预测子模块计算出来的各代表点脉冲响应和客观音质参量计算结果,用于寻找和判定符合目标函数和约束条件的声学单元状
态参量区域。

优化结果被发送给声学单元控制与动作模块。

所述的声学单元控制与动作模块包括声学单元控制子模块和声学单元动作子模块。

声学单元控制子模块包括中央控制器PLC和现场控制器PLC组成，二者使用现场总线Profibus-DP连接，采用光纤双环网进行通讯，负责对声学单元驱动设备下达动作指令和监控其运行状态;声学单元动作子模块包括观众厅和舞台上的可变声学单元以及电机和变频器等驱动系统，在现场PLC的控制下进行动作，调整单元的中心位置、水平和垂直角度，以及声学性能，使其状态参量符合优化结果。

声学单元控制与动作模块按照优化方案执行动作指令,在优化方案的调控动作结束斤，向音质测量模块发出动作结束的信号。

所述的音质测量模块包括声信号发射、声信号接收和信号处理等子模块。

声信号发射子模块包括依次连接的数字信号单元(置于计算机内)、D/A转换卡、功放和无指向性扬声器;声信号接收子模块包括依次连接的置于人工头双耳内的传声器、前置放大器、D/A转换卡信号处理模块包括计算机、信号调理单元、相关计算单元、滤波单元和客观音质参量计算单元。

接收到声学单元调控动作结束的信号后，声信号发射子模块向音乐厅内发出激励信号,声信号接收了模块接收音乐厅内-组代表测点(点位与音质预测与优化模块的相同)的声压，并将其传给信号处理子模块，信号处理子模块根据声压信号计算各点的双耳脉冲响应和客观音质参量。

音质测量结果将被传给音质评价模块。

所述的音质评价模块包括客观音质参量评价子模块、音质评价专家系统子模块、综合音质评价子模块。

客观参量评价子模块包括依次连接的客观因子参量偏离度计算单元、客观因子参量评价计权单元;音质评价专家系统子模块包括依次连接的预演音乐数字信号生成单元、回放单元(由AD转换卡、功放、高保真耳机或音箱组成)以及专家评价单元;综合音质评价子模块包括依次连接的综合评价计权单元和音质调控结果判断单元。

在接收到音质测量结果后，客观音质参量评价子模块将计算实测与目标脉冲响应的距离、实测与目标客观音质参量的偏离程度，对音质优化方案评价和打分。

音质评价专家系统子模块将根据专家评价单元的评价对音质优化方案打分;综合音质评价子模块将把客观音质参量评价和专家系统两个子模块的评价结果进行计权综合，得到音质评价综合分值，并将其与评价阈值进行比较;如果判定音质优化方案满意，则将优化的声学单元状态参量、各点实
测脉冲响应和回放音乐数字信号传给音质模式存储模块;如果判定优化方案不满意，则将各点脉冲响应测试的信号发给音质预测与优化模块，指令其改进误差预测单元，继续进行音质优化与调控。

所述的音质模式存储模块将把满意的控调控结果存储在计算机内数据硬盘上包括声学单元的状态参量、各点实测脉冲响应和回放音乐信号，作为音乐厅演出的模式之。

存储在该模块的数据可以被音质预测与优化模块、声学单元控制与动作模块调用，用于误差预测单元的进化，以及再现本次音质调试的效果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1、针对音质固定的音乐厅适应性差的缺陷，木发明可使音乐厅根据不同演出节目的要求和观众的喜好，提供最佳的个性音质，显著增强了音乐厅的适应性，做到一厅多用、优用，不需要为了提高设施的音质适应性而在同一地点建造功能类似的多个厅堂，可以使有限的文化产业建设资源发挥更人的作用。

2、与部分有可调混响设施的音乐厅单一调控混响时间的手段和效果相比，本发明在对目标脉冲响应在音质特征上逼近的技术基础上，人人增强了优化手段与自动控制技术，具有如下优点:(1)对音质进行全面调控，使音质从多方面逼近目标音质，而传统方法仅从混响时间个方面调控音质，很难保证调控后的效果是满意的，因为音质并非是由混响时间一个指标确定的;(2)增加了优化与评价环节，保证音质以最佳方式逼近目标音质，而传统方法不能保证调控后得到的音质是好的，调控手段有限;(3)本发明闭环反馈的结构特点具有自适应性和智能性，大大提高了系统对音质调控的可靠性和便利性，使复杂的音质调控变得轻松可靠。

附图说明
图1为本发明的结构示意图。

图2为目标脉冲响应图像图
图3为采用几何声学软件ODEON建立的音质预测模型示意图;
图4为预测误差修正模型精度检验示意图;
图5为声学单元垂直倾角优化结果示意图，其中X1为第一组单元倾角，X2为第二组单元倾角，X3为第三组单元倾角。

具体灾施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例
如图1所示，本发明的系统结构包括音质目标模块11、音质预测与优化模块12、声学单元控制与动作模块13、音质测量模块14、音质评价模块15、音质模式储存模块16。

所述的音质目标模块11、音质预测与优化模块12、声学单元控制与动作模块13依次连接，负责声学单元状态参量的优化马音质调控;音质测量模块14、音质评价模块15、音质模式储存模块16依次连接，负责对调控后的音质进行现场测试和综合评价，并根据评价结果确定是否继续进行新的调控。

如果确定重新进行新一轮的调控,音质评价模块15将向音质预测与优化模块12发出重新调控的指令;如果确定调控成功，则把满意的音质调控方案所对应的声学单元状态参量、实测的脉冲响应，以及回放音乐数字信号储存在音质模式储存模块16内，供日后调用。

所述的音质目标模块11首先根据演出需求，通过计算机数据端口输入目标音乐厅的音质特征，即双耳脉冲响应的数字文件，并根据脉冲响应计算各类客观音质参量(如混响时间、响度因子、明晰度因子、侧向反射分量、双耳相关系数、舞台支持度因子等)，然后将目标音质脉冲响应及各客观音质参量发送给音质预测与优化模块、音质评价模块;
所述的音质预测与优化模块12包括音质预测子模块和音质优化子模块。

在接收到目标音质的脉冲响应和客观音质参量后,音质预测子模块按照音质优化模块提供的搜索路径计算在不同声学单元状态参量下,音乐厅内各代表点的脉冲响应和客观音质参量,并将计算结果发送给音质优化子模块;音质优化子模块将按照全局(或局部)优化的方式，在一定的声学单元状态参量空间范围内，运用优化算法，搜索符合目标函数和约束条件的声学单元状态参量，如声学单元的中心空间坐标、水平角度、垂直角度和吸声系数、散射系数等。

搜索过程中将调用音质预测了模块计算出来的各代表点脉冲响应和客观音质参量计算结果,用于寻找和判定符合目标函数和约束条件的声学单元状态参量区域。

优化结果被发送给声学单元控制与动作模块。

所述的声学单元控制与动作模块13包括声学单元控制子模块和声学单元动作子模块。

声学单元控制子模块包括中央控制器PLC和现场控制器PLC组成，二者使用现场总线Profibus-DP连接，采用光纤双环网进行通讯，负责对声学单元驱动设备下达动作指令和监控其运。