一种播放设备频率响应校准方法与流程

1.本发明涉及听力设备及信号处理技术领域，具体为一种播放设备频率响应校准方法。


背景技术：

2.每个音频文件有自己本身的频谱，但是由于播放设备的不同，导致用户听到声音情况也不同。即，基于不同播放设备的实际播放声的频谱与原始音频的频谱会出现不同。例如原本音频1000hz处的响度要比2000hz处高20db，但是由于耳机和音频输出设备的差异，导致1000hz处的响度可能比2000hz处只超出了10db。同时，由于声音是用户的主观感受，即便是相同的播放设备播放同样的音频，不同的用户，因为每个人的听力情况不同，其接收到的播放频响应不同，以及给出的主观反馈也可能不同。所以，在很多应用场景下，即便使用同一套播放设备，使用同样的音频数据播放给不同的用户，因为音频制作者和播放设备受众的感受不一致，就会导致对设备或者音频数据的调试结果不准确，或者调试时间过长的问题发生。


技术实现要素：

3.为了解决同一个音频基于不同的音频播放设备和音频输出设备播放时，或者面向不同的用户时，播放效果不一致的问题，本发明提供一种播放设备频率响应校准方法，其基于每个用户的主观听力情况以及标准的等响曲线对耳机及其音频播放设备的频率响应曲线进行校准，使同样的音频基于不同的音频播放设备、音频输出设备、和面向不同的用户时，每个用户都能感受到音乐制作者所期望让其听到的声音。
4.本发明的技术方案是这样的：一种播放设备频率响应校准方法，其特征在于，其包括以下步骤：s1：将待校准的音频输出设备连接到音频播放设备上；选择用户的一侧耳朵作为测试耳；s2：选取纯音的测试音频作为基准音频，所述基准音频的频率为f0；s3：基于所述音频播放设备，播放所述基准音频，对所述测试耳对应的所述音频输出设备的输出开始给声；所述音频播放设备播放所述基准音频过程中，调节所述基准音频的振幅使用户的所述测试耳能刚好听到所述基准音频的声音，记录此时能够听到基准音频的振幅为基准振幅a0；s4：调节所述基准音频的振幅，使所述基准音频的播放响度增加a时，对应的振幅记做a0’；s5： 选择对照耳；选择频率为f0的纯音作为测试音频；调节所述测试音频的振幅，使用户感受到对照耳播放的测试音频与振幅为a0’的基准音频的响度相等，将此时所述对照耳对应的所述测试音频振幅记做ac；
s6：在所述基准频率f0的频率范围内，获取待校准频率点；设所述待校准频率点包括：f1、f2....fn；其中n为自然数，为待校准频率点的个数；s7：基于听阈a以上的等响曲线，计算获得每个所述待校准频率点的纯音与所述基准频率f0的纯音响度相等时的声音强度差值，记做：d1,d2,
…
,dn；s8：计算所述待校准频率点对应的纯音与所述基准频率f0的纯音，在二者响度相等时的振幅，分别记做：a1、a2.... an；s9：对所述对照耳播放振幅为ac、频率为f0的纯音；s10：对所述测试耳播放所述待校准频率点的纯音的待校准音频；所述待校准音频播放时，将初始振幅设置为a0’；播放过程中，调整所述待校准音频的振幅，直至所述对照耳、所述测试耳感受的响度相等时，对应的所述待校准频率点的纯音振幅，记做校准后振幅；所述待校准频率点的待校准音频对应的所述校准后振幅为：a1’，a2’，
…
，an’；s11：将每个所述待校准音频对应的所述待校准频率点附近的频率范围内输出的增益分别进行补偿，补偿的增益为：20log(a1
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a1)，20log(a2
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a2)，
…
，20log(an
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an)；则，获得所述测试耳在所述音频输出设备、所述音频播放设备上对应的频率响应校准值。
5.其进一步特征在于：其还包括以下步骤：s12：确定是否还要校准所述测试耳另一侧的播放设备频率响应；如果需要调整，则执行步骤s13；如果不要，则结束本次校准；s13：将所述测试耳另一侧耳朵设置为测试耳，循环执行步骤s2~s11；s14：对两侧耳同时分别播放频率为f0的纯音，调整左右耳纯音的振幅，使左右耳响度相等；此时对应的两个输出增益，即为双侧耳在所述音频输出设备、所述音频播放设备上对应的频率响应校准值；本次校准结束；所述对照耳可以是所述测试耳，也可以是另一侧耳；所述待校准频率点中的f1、f2....fn的取值为：125hz、250hz、500hz、1000hz、2000hz、3000hz、4000hz、5000hz、6000hz、7000hz、8000hz、9000hz、10000hz；步骤s14中，设：左耳纯音的振幅为al，右耳纯音的振幅为ar，使左右耳响度相等方法包括：将左耳的输出增益增加20log(al-ar)db或者将右耳输出增肌增加20log(ar
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al)db；
所述基准频率f0的频率范围为：125hz≤f0≤10000hz；步骤s4中，响度增加值a的取值范围为：5db≤a≤100db；步骤s8中，a1、a2.... an的计算方法为：a1= a0’*10^(d1/20)；a 2= a0’*10^(d1/20),
…
a n= a0’*10^(dn/20)；步骤s11中，所述待校准频率点附近的频率范围内输出的增益的增加方法为：所述待校准频率点包括：f1、f2....fn；设，相邻的两个频率点为fi-1、fi，2≤i≤n；设fi-1的频率范围为（f1，f2），fi的频率范围为（f2，f3），则有：f1《 fi-1《f2《 fi 《f3其中f1至f2之间的连续频率为以fi-1为待校准频率点附近范围内的频率，其提高增益根据fi-1处需要提高的增益计算获得；f2至f3之间的连续频率为以fi为待校准频率点附近范围内的频率，其提高增益根据fi处需要提高的增益计算获得；所述音频输出设备包括：功放设备、耳机。
6.本发明提供的一种播放设备频率响应校准方法，使用纯音的音频数据，通过待校准的音频输出设备、音频播放设备进行播放，基于用户的主观听觉感受获取播放出来的纯音的响度；在对照耳播放基准音频的频率f0做参照基准，在测试耳播放每个待校准频率点对应的纯音，当两次播放中用户感受到响度相同时，找到每个待校准频率点对应的校准后振幅；基于标准等响曲线获取每个待校准频率点的纯音与基准频率f0的纯音响度相等时的声音强度差值；最后基于声音强度差值，将校准后振幅转换为每个待校准频率点在音频输出设备、音频播放设备上对应的增益数值，完成音频输出设备、音频播放设备的校准。本发明技术方案中，基于用户的听力情况和标准的等响曲线对音频输出设备、音频播放设备的频率响应曲线进行校准，得到针对特定用户在音频输出设备、音频播放设备上的频率响应校准值，使音频输出设备播放的声音在用户的鼓膜处的实际频响曲线近似为平滑直线，确保患者感受到音乐制作者所期望让其听到的声音；基于本发明技术方案，对于用户和设备同时进行频率响应校准，实现了对音频源设备和耳机音响等播放设备，以及用户的实际听力情况的差异的同时校准，确保同样的音频基于不同的音频播放设备、音频输出设备、和面向不同的用户时，每个用户都能感受到音乐制作者所期望让其听到的声音。
附图说明
7.图1播放设备频率响应校准方法的流程示意图；图2为频率为f0振幅为a0的纯音以及响度提高a后振幅为a0’时域波形图；图3为音频输出设备、音频播放设备的实际频响曲线和理想频响曲线的示意图；图4为待校准频率点fi与f0等响时理论振幅和实际振幅。
具体实施方式
8.如图1所示，本技术方案中的一种播放设备频率响应校准方法，适用于各种音频设备和各种听力情况的用户，先根据等响曲线计算出音频设备在给大多数听力正常用户使用时理论上各频率等响时的分贝差值，再根据具体的音频输出设备和播放设备以及具体的用户，凭借用户的主观等响感受计算出实际上各个频率等响时的分贝差值，根据两个差值进行补偿增益。其包括以下步骤。
9.s1：将待校准的音频输出设备连接到音频播放设备上；选择用户的一侧耳朵作为测试耳。
10.本发明中的音频输出设备包括：功放设备、耳机；本实施例中使用耳机进行校准。
11.s2：选取纯音的测试音频作为基准音频，基准音频的频率为f0。
12.基准频率f0的频率范围为：125hz≤f0≤10000hz；本实施例中，f0选取1000hz。
13.s3：基于音频播放设备，播放基准音频，对测试耳对应的音频输出设备的输出开始给声；音频播放设备播放基准音频过程中，调节基准音频的振幅使用户的测试耳能刚好听到基准音频的声音，记录此时能够听到基准音频的振幅为基准振幅a0。
14.s4：调节基准音频的振幅，使基准音频的播放响度增加a时，对应的振幅记做a0’；响度增加值a的取值范围为：5db≤a≤100db；本实施例中，a为10db。
15.响度增加至a与振幅的关系为：a = 20log(a0’/a0)；a0为基准音频的基准振幅，a0
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基准音频的调整后振幅。
16.如图2所示，为频率为f0振幅为a0的纯音以及响度提高a后振幅为a0’时域波形图。图中的时域波形图横坐标为振幅，纵坐标为时间，实现为频率为f0的纯音在以基准振幅a0播放时的波形，虚线为频率为f0的纯音响度增加a后，振幅变为a0’后的波形图。
17.s5： 选择对照耳；选择频率为f0的纯音作为测试音频；调节所述测试音频的振幅，使用户感受到对照耳播放的测试音频与振幅为a0’的基准音频的响度相等，将此时所述对照耳对应的所述测试音频振幅记做ac；具体实施的时候，根据用户的具体情况，对照耳可以是测试耳，也可以是另一侧耳。
18.s6：在基准频率f0的频率范围内，获取待校准频率点；设待校准频率点包括：f1、f2....fn；其中n为自然数，为待校准频率点的个数；本实施例中，n为13，待校准频率点中的f1、f2....fn的取值为：125hz、250hz、500hz、1000hz、2000hz、3000hz、4000hz、5000hz、6000hz、7000hz、8000hz、9000hz、10000hz。
19.s7：基于听阈a以上的等响曲线，计算获得每个待校准频率点的纯音与基准频率f0的纯音响度相等时的声音强度差值，记做：d1,d2,
…
,dn；等响曲线是描述等响条件下声压级与声波频率的关系曲线，是重要的听觉特征之一。其表示在不同频率下的纯音需要达到何种声压级，才能获得对听者来说一致的听觉响度。国际标准化组织iso也在1961年制定了等响曲线。横坐标是声音的频率，纵坐标是声压级，每条曲线上个点虽然频率和声压级不同，但是响度一致。
20.s8：基于声音强度差值d1,d2,
…
,dn将声音强度转换为振幅值，计算待校准频率点对应的纯音与基准频率f0的纯音在响度相等时的振幅，分别记做：a1、a2....an；a1= a0’*10^(d1/20)；a2= a0’*10^(d1/20),
…
an= a0’*10^(dn/20)。
21.s9：在对照耳播放振幅为ac、频率为f0的纯音。
22.s10：在测试耳，逐一播放待校准频率点的纯音的待校准音频；待校准音频播放时，将初始振幅设置为a0’；播放过程中，调整待校准音频的振幅，直至对照耳、测试耳感受的响度相等时，对应的振幅，记做校准后振幅；待校准频率点的待校准音频对应的校准后振幅为：a1’，a2’，
…
，an’；基于用户的听力情况，通过对照耳、测试耳感受的响度，对待校准的音频输出设备、音频播放设备的播放效果进行校准，每个待校准频率点对应的校准后振幅；通过所有的待校准频率点实现对音频输出设备、音频播放设备的校准。
23.s11：如图4所示，在待校准的音频输出设备、音频播放设备上，频率为fi的纯音与频率为f0振幅为a0’的纯音等响时实际振幅，即校准后振幅为ai’；基于等响曲线计算，频率为fi的纯音与频率为f0振幅为a0’的纯音等响时的理论振幅为：ai；将每个待校准音频对应的待校准频率点附近的频率范围内输出的增益分别进行补偿，补偿的增益为：20log(a1
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a1)，20log(a2
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a2)，
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，20log(an
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an)；将a1、a2....an带入后，为：20log(a1
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a0’*10^(d1/20))，20log(a2
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a0’*10^(d2/20))，
…
，20log(an
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a0’*10^(dn/20))。
24.通过将校准后振幅转换为增益数值，即获得测试耳在音频输出设备、音频播放设备上对应的频率响应校准值。
25.进一步的待校准频率点附近的频率范围内输出的增益的增加方法为：待校准频率点包括：f1、f2....fn；设，相邻的两个频率点为fi-1、fi，2≤i≤n；设fi-1的频率范围为（f1，f2），fi的频率范围为（f2，f3），则有：f1《 fi-1《f2《 fi 《f3其中f1至f2之间的连续频率为以fi-1为待校准频率点附近范围内的频率，其提高增益根据fi-1处需要提高的增益计算获得；f2至f3之间的连续频率为以fi为待校准频率点附近范围内的频率，其提高增益根据fi处需要提高的增益计算获得；通常计算时，f1、f2、f3分别取其前后相邻的待校准频率点的中间值，当fi-1为f1时，fi-1对应的f1取值等于f2，当fi为fn时，fi对应的f3取值等于 f2。
26.如，fi-1=1000hz，fi=2000hz，则f1《1000hz《f2《2000hz《f3；其中f1至f2之间的连续频率为以1000hz为待校准频率点附近范围内的频率，其提高增益根据1000hz处需要提高的增益计算获得，f2至f3之间的连续频率为以2000hz为待校准频率点附近范围内的频率，其提高增益根据2000hz处需要提高的增益计算获得。
27.s12：确定是否还要校准测试耳另一侧的播放设备频率响应；如果需要调整，则执行步骤s13；如果不要，则结束本次校准。即，本发明技术方案适用于双耳的频率响应校准也适用于单耳频率响应校准。
28.s13：将测试耳另一侧耳朵设置为测试耳，循环执行步骤s2~s11，获得另外一侧耳朵在同一套在音频输出设备、音频播放设备上对应的频率响应校准值后，执行步骤s14。
29.s14：对两侧耳同时分别播放频率为f0的纯音，调整左右耳纯音的振幅，使左右耳响度相等，实现对患者双侧耳的音量差别的调整。
30.设：左耳纯音的振幅为al，右耳纯音的振幅为ar，使左右耳响度相等方法包括：将左耳的输出增益增加20log(al-ar)db或者将右耳输出增肌增加20log(ar
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al)db；此时对应的两个输出增益，即为双侧耳在音频输出设备、音频播放设备上对应的频率响应校准值；音频输出设备播放声音在用户左右耳的鼓膜处的实际频响曲线近似为平滑直线，实现了双耳的平衡调试，本次校准结束。
31.如图3所示，为音频输出设备、音频播放设备的实际频响曲线和理想频响曲线的示意图，图中虚线音频输出设备、音频播放设备的原始的实际频响曲线，实线为校准后的理想频域曲线，基于本发明的品相校准方法后，实现了使本不平滑的音频输出设备、音频播放设备的频响曲线调整为在人耳鼓膜处平滑的频响曲线。
32.使用本发明的技术方案后，其可以将不同硬件设备在人耳鼓膜处的频响曲线调整至平滑，即人耳实际听到的声音的频谱与其原本数字量的频谱一致，且双耳感受的响度一致。因为调整的是在用户鼓膜处的频响，调整的内容包括：实际的音频源设备和耳机音响等播放设备，以及用户的实际听力情况的差异，与现有的单纯调整设备频响的方法，或者单纯对用户听力差异进行补偿的方法相比，更具针对性，效果更好。在本技术方案中，首先根据听阈上a db（10≤a≤100）的频响曲线计算得出不同频率等响时它们的振幅比例关系，再通过播放不同频率的声音让用户调整至等响时不同频率声音的实际振幅比例关系，最后根据这两个比例关系调整实际应该将各个频带处增加或减小的响度值。通过本发明的校准方法，可以保证同一个音频数据，不同的人用不同的音频播放设备时获得同样的听觉体验。