一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法及系统的制作方法

一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及仿真建模技术领域，尤其涉及一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着机械化水平的不断提高，越来越多的噪音充斥着人们的生活空间，噪声控制的问题也逐渐到了一个不可忽视的地步，利用技术手段对家庭房间内的噪声进行主动控制，改善居家环境成为人们关注的热点。虚拟声障技术是以声波干涉原理，利用扬声器对噪声源发出一个振幅相同相位相反的声波，使目标空间范围内的声音消弱。虚拟声障系统(Visual Sound Barrier System)是由软件部分和硬件部分组成的一个综合系统。
[0003]虚拟声障系统的降噪效果不仅与软件部分的算法有关，与硬件设备相互之间的布放策略也有很大的关系，设备之间布放策略的合理性能够很大程度的影响系统的降噪效果。在布放策略中最重要的部分是传感器和次级扬声器之间相对位置的摆放方案，如果软件部分的自适应滤波算法保持不变则虚拟声障系统能够取得的降噪量和有效降噪空间范围基本取决于次级声源所用扬声器和传感器的布放方案。
[0004]因此，构建虚拟声障系统的在家庭环境中仿真模型对于实际家庭环境中虚拟声障系统的设备布放和声障效果评估具有重要的意义，主要体现在几个方面:(I)在实际环境的虚拟声障系统搭建的过程中首先通过仿真模型的验证，之后用于实际系统消声效果的验证，可以提高虚拟声障系统的针对性和逐步完善虚拟声障系统的算法。(2)在实际进行系统设备布放前，先通过仿真模型验证声障效果，根据系统在家庭环境中的模拟声障效果指导实际系统的布放。
[0005]现有的噪声控制系统建模方式通常是利用滤波算法模拟实际系统中的算法部分。即一般只涉及到噪声控制系统中滤波器的自适应算法部分，而不会考虑系统模型中重要设备之间的相互布放位置对整个虚拟声障系统声障效果的影响。
[0006]虚拟声障系统的声障效果不仅受到算法部分的影响，也取决于虚拟声障系统中设备的布放策略。同一个滤波算法在不同的布放策略下，系统的声障效果可能有着天壤之别。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法及系统，可以在仿真环境中提高系统的理论声障效果，减少在现实环境中不必要的频繁测试而造成的人力物力的浪费。
[0008]为了解决上述问题，本发明提出了一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法，所述方法包括:
[0009]构建模拟家庭空间的六面体模型；
[0010]根据构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型；
[0011]根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径；
[0012]进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。
[0013]优选地，所述根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径的步骤包括:
[0014]将声源到传感器的路径设置为7条路径；
[0015]分别根据各自传播路径的长短进行时延和相位差的计算，进行最终的声波的干涉叠加。
[0016]优选地，所述7条路径为声波从声源到传感器的空中直接传播路径和声波通过房间的六面墙面而反射过去达到传感器的反射路径。
[0017]优选地，计算仿真模型中声源到传感器的声波传达路径的步骤包括:
[0018]利用空间俩点和一个平面的反射特性计算出声波的反射通道；
[0019]估算墙面的反射率得到在当前路径下到达传感器处的声波信号相位和振幅大小。
[0020]相应地，本发明还提供一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模系统，所述仿真建模系统包括:
[0021]构建模块，用于构建模拟家庭空间的六面体模型；
[0022]建立模块，用于根据所述构建模块所构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型；
[0023]计算模块，用于根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径；
[0024]声场模拟模块，用于进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。
[0025]优选地，所述计算模块还用于将声源到传感器的路径设置为7条路径；分别根据各自传播路径的长短进行时延和相位差的计算，进行最终的声波的干涉叠加。
[0026]优选地，所述7条路径为声波从声源到传感器的空中直接传播路径和声波通过房间的六面墙面而反射过去达到传感器的反射路径。
[0027]优选地，所述计算模块还用于利用空间俩点和一个平面的反射特性计算出声波的反射通道；估算墙面的反射率得到在当前路径下到达传感器处的声波信号相位和振幅大小。
[0028]在本发明实施例中，通过先测试在仿真模型中的声障效果对实际家庭环境中虚拟声障系统的搭建、特别是设备之间的布放策略提供指导作用；利用仿真系统模型测试各种自适应算法和硬件设备在仿真房间中的不同摆放位置的声障效果，在仿真环境中提高系统的理论声障效果，减少在现实环境中不必要的频繁测试而造成的人力物力的浪费。
【附图说明】
[0029]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0030]图1是本发明实施例的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法的流程示意图；
[0031]图2是本发明实施例中7路径信号叠加模型的示意图；
[0032]图3是本发明实施例中家庭环境中虚拟声障系统整体仿真模型的示意图；
[0033]图4是本发明实施例的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模系统的结构组成示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]图1是本发明实施例的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括:
[0036]S101，构建模拟家庭空间的六面体模型；
[0037]S102，根据构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型；
[0038]S103，根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径；
[0039]S104，进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。
[0040]在具体实施中，考虑到家庭环境中的空间范围通常比较大，是一个声场时延比较明显的场合，考虑到在家庭空间中声波传播的特性，对于室内噪声我们可以大胆假设声波的传播时延主要为房间中六面墙体的反射和漫射相互干涉叠加的结果，又因为实际声波叠加的特性我们把噪声源到传感器的路径设置为7条路径，即接收的实际声波大致近似于声波从声源到传感器的空中直接传播路径和声波通过房间的六面墙面而反射过去达到传感器的反射路径，7路声波信号分别根据各自传播路径的长短进行时延和相位差的计算，从而进行最终的声波的干涉叠加，形成与实际环境场景中传感器处真实声波信号近似的仿真信号。
[0041]本系统的硬件设备中不同的摆放位置能够对系统造成影响的有噪声源的位置、参考传感器的位置、误差传感器的位置、扬声器的位置以及仿真家庭空间本身的长宽高。因此本发明的模型中能够通过参数定义位置的设备有房间的长、宽、高，噪声源在房间中的三维坐标，次级声源即扬声器在房间中的三维坐标，参考传感器在房间中的三维坐标，误差传感器在房间中的三维坐标。功能函数为计算声源到传感器的7条声学通道的延迟函数，即计算从声源到传感器的每条路径的延迟时间。路径的计算方法为利用空间俩点和一个平面的反射特性自动计算出声波的反射通道，并估算墙面的反射率得到在当前路径下到达传感器处的声波信号相位和振幅大小。
[0042 ]从声源到传感器的信号合成由图2所示的模型完成。其中，在仿真模型中直接由空中传播的声学路径中假定空气对声波的能量损耗为O到达传感器时仅考虑声波相位的改变，而其它通过房间六面墙体对声波的反射则根据墙体的材质而设置一个能量损耗值，在本仿真系统中设置实验房间的能量损失率为0.3，即经过墙壁反射后经空中达到传感器时的能量值为原来的0.7倍，然后再根据长度计算达到传感器时的相位差，由仿真DSP芯片对得到的简化估算数据进行信号的叠加，得到声源声波信号通过家庭空间环境到达传感器处的声波信号。这种基于家庭空间的虚拟声障系统的整体模型如图3所示。
[0043]下面结合图2、图3说明仿真模型建立的流程:
[0044]步骤1:在 matlab 中建立功能函数[tO, tl, t2, t3, t4, t5, t6]=path (w, I, h, xl, yl, zl, x2, y2, z2)，输入点包括房间的长、宽、高(I, w, h)，声源的三维坐标位置(xl，yl, zl)，传感器的三维坐标位置(x2，y2, z2)。输出则是从声源到传感器的声学通路的7条路径的延迟时间，tO为空中直接传播路径，tl、t2、t3、t4、t5、t6则是声波从房间的六面墙体反射回去到达传感器的延迟时间。根据房间的长宽高以及俩个坐标点的位置计算出每条路径的距离，利用声音在空气中的传播速度得到每条路径的延迟数。
[0045]步骤2:把功能函数放入simulink中，并加入参数设置模块，利用Mux模块将输入信号组合成一个单一的矢量输出便于仿真模型中的其他模块调用。
[0046]步骤3:在虚拟声障系统的中存在多个声源和传感器，故对步骤1、2布建立起来的基础模块进行复制得到虚拟声障系统设备摆放策略计算模型。
[0047]步骤4:对输出的所有延迟矢量输出端口进行信号的叠加，利用可变延时模块(variable integer delay)对提供的声源信号进行相对应的时延处理，得到从声源到达传感器后的信号，整体处理如图2所示。
[0048]步骤5:合成整体模块，添加噪声源信号输入端口 r (η)以及虚拟声障系统自适应滤波算法处理后的由次级扬声器发出的干涉信号y(n)，输出为经家庭房间后的噪声信号x(n)、参考信号d(n)以及干涉信号y (η)经过声学通道到达误差传感器处后的信号y/(η)，最后的整体模型如图3所示。
[0049]另外，本发明实施例还提供一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模系统，如图4所示，该仿真建模系统包括:
[0050]构建模块1，用于构建模拟家庭空间的六面体模型；
[0051]建立模块2，用于根据构建模块I所构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型；
[0052]计算模块3，用于根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径；
[0053]声场模拟模块4，用于进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。
[0054]其中，计算模块3还用于将声源到传感器的路径设置为7条路径；分别根据各自传播路径的长短进行时延和相位差的计算，进行最终的声波的干涉叠加。该7条路径为声波从声源到传感器的空中直接传播路径和声波通过房间的六面墙面而反射过去达到传感器的反射路径。
[0055]另外，计算模块3还用于利用空间俩点和一个平面的反射特性计算出声波的反射通道；估算墙面的反射率得到在当前路径下到达传感器处的声波信号相位和振幅大小。
[0056]具体地，本发明实施例的系统相关功能模块的工作原理可参见方法实施例的相关描述，这里不再赘述。
[0057]在本发明实施例中，通过先测试在仿真模型中的声障效果对实际家庭环境中虚拟声障系统的搭建、特别是设备之间的布放策略提供指导作用；利用仿真系统模型测试各种自适应算法和硬件设备在仿真房间中的不同摆放位置的声障效果，在仿真环境中提高系统的理论声障效果，减少在现实环境中不必要的频繁测试而造成的人力物力的浪费。
[0058]本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括:只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
[0059]另外，以上对本发明实施例所提供的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1.一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法，其特征在于，所述方法包括: 构建模拟家庭空间的六面体模型； 根据构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型； 根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径； 进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。2.如权利要求1所述的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法，其特征在于，所述根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径的步骤包括: 将声源到传感器的路径设置为7条路径； 分别根据各自传播路径的长短进行时延和相位差的计算，进行最终的声波的干涉叠加。3.如权利要求2所述的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法，其特征在于，所述7条路径为声波从声源到传感器的空中直接传播路径和声波通过房间的六面墙面而反射过去达到传感器的反射路径。4.如权利要求3所述的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法，其特征在于，计算仿真模型中声源到传感器的声波传达路径的步骤包括: 利用空间俩点和一个平面的反射特性计算出声波的反射通道； 估算墙面的反射率得到在当前路径下到达传感器处的声波信号相位和振幅大小。5.—种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模系统，其特征在于，所述仿真建模系统包括: 构建模块，用于构建模拟家庭空间的六面体模型； 建立模块，用于根据所述构建模块所构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型； 计算模块，用于根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径； 声场模拟模块，用于进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。6.如权利要求5所述的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模系统，其特征在于，所述计算模块还用于将声源到传感器的路径设置为7条路径；分别根据各自传播路径的长短进行时延和相位差的计算，进行最终的声波的干涉叠加。7.如权利要求6所述的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法，其特征在于，所述7条路径为声波从声源到传感器的空中直接传播路径和声波通过房间的六面墙面而反射过去达到传感器的反射路径。8.如权利要求7所述的基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模系统，其特征在于，所述计算模块还用于利用空间俩点和一个平面的反射特性计算出声波的反射通道；估算墙面的反射率得到在当前路径下到达传感器处的声波信号相位和振幅大小。
【专利摘要】本发明实施例公开了一种基于家庭环境的虚拟声障系统的仿真建模方法及系统，其中，该方法包括：构建模拟家庭空间的六面体模型；根据构建的六面体模型建立三维坐标系，并把虚拟声障系统中位置不同的设备以三维坐标的形式放入仿真模型；根据各个设备的三维坐标值计算互相之间的空间直线距离以及仿真模型中声源到传感器的声波传达路径；进行虚拟声障系统实际运行场景的声场模拟，获得在当前自适应滤波算法和布放策略下虚拟声障系统的声障效果。在本发明实施例中，利用仿真系统模型测试各种自适应算法和硬件设备在仿真房间中的不同摆放位置的声障效果，在仿真环境中提高系统的理论声障效果，减少在现实环境中不必要的频繁测试而造成的人力物力的浪费。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104881537
【申请号】CN201510268350
【发明人】李义红, 林格
【申请人】中山大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月22日