一种声学级联设备的扬声器播放同步方法与流程

1.本发明属于电子设备技术领域，具体涉及一种声学级联设备的扬声器播放同步方法。


背景技术：

2.在均衡声场构建的时候，希望空间中任意位置的声压都是相差不大的。当声场空间比较大的时候，距离扬声器较近的位置与距离较远的位置声压相差很大，比如大教室、大会议室等。距离较近的位置声音听起来刺耳，而较远的位置却听不清。声学级联是解决声场采样和构建不均衡问题的主要方法之一。声学级联通过在空间中布置多个扬声器来构建均衡的声场。但是级联设备之间在数据传输和转发等处理环节会引入时延，更严重的是，级联设备各自的时钟可能存在细微偏差，随着时间推移，这种偏差会不断累积，进而导致不同级联设备的播放进度出现明显偏移，这样会导致空间声场出现混叠，严重时甚至可能导致可懂度显著降低。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种声学级联设备的扬声器播放同步方法。
4.为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
5.一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，包括以下步骤：
6.step1：开始播放前，同步主控设备和各节点设备的播放进度，然后开始播放；
7.step2：经过t1时间播放后，重新同步主控设备和各节点设备的播放进度，继续播放；
8.step3：重复step2，直到音频播放完毕或者主控设备发出停止播放指令。
9.进一步的，step1具体包括如下步骤：
10.step1.1：主控设备通过级联线路持续发送要播放的音频数据a1到节点设备，主控设备和节点设备都阻塞播放；
11.step1.2：在开始发送音频数据a1后t2时间之后，主控设备通过扬声器发射声信号s1；
12.step1.3：每台节点设备的麦克风接收到声信号s1后，进行信号解析，得到主控设备播放进度时间点，并保存之；
13.step1.4：主控设备在发射声信号s1之后，延迟t3时间，开始通过扬声器播放音频a1；
14.step1.5：每台节点设备根据自身到主控设备的距离对接收到的主控设备的播放进度进行调整，得到各自调整后的播放进度pi，i为节点设备编号；
15.step1.6：每台节点设备调整接收到的音频a1的播放进度到pi，立即开始播放。
16.进一步的，step1.2中，t2时间的设置依赖于通过级联线路进行数据传输的延时，
大于从主控设备传输数据到最后一台节点设备的最大延时。
17.进一步的，step1.3中，主控设备播放进度时间点实际值为0。
18.进一步的，step1.4中，延迟时间t3的设置依赖于节点设备到主控设备的最远距离，大于主控设备所发射声信号s1到达最远节点设备的空间传播延时。
19.进一步的，step1.5中，每台节点设备的播放进度通过下式来计算：
20.pj＝p
rev-t3+ζi21.其中，pi为节点设备i的播放进度，p
rev
为接收到的主控设备的播放进度，通过解析接收到的主控设备发射的声信号s1得到，ζi为节点设备i的播放进度调整量，是声信号s1从主控设备传播到节点设备i的时间延迟，通过下式来计算：
[0022][0023]
其中，ri为节点设备i到主控设备的空间直线距离，c为空间声速。
[0024]
进一步的，step2具体包括如下步骤：
[0025]
step2.1：主控设备根据当前音频a1的播放进度和上一次同步时刻进度，设计声信号s1，然后通过扬声器发射出去；
[0026]
step2.2：每台节点设备的麦克风接收到声信号s1后，进行信号解析，得到当前主控设备相对播放进度δ
p
；
[0027]
step2.3：每台节点设备根据上一次同步时刻的播放进度和接收到的相对播放进度δ
p
计算得到当前主控设备的播放进度
[0028]
step2.4：每台节点设备根据自身相对主控设备的距离对主控设备的播放进度进行调整，得到各自的播放进度
[0029]
step2.5：调整每台节点设备当前音频a1的播放进度到继续播放。
[0030]
进一步的，step2.3中，节点设备计算当前主控设备的播放进度的公式如下：
[0031][0032]
进一步的，step2.4中，节点设备的播放进度通过下式来计算：
[0033][0034]
进一步的，所述声学级联设备主要包括1台主控设备和若干节点设备，所述主控设备和节点设备之间线性连接，每台设备都具有各自的麦克风和扬声器，要播放的音频数据先由主控设备发送到第1台节点设备，再由第1台节点设备发送到第2台节点设备，再由第2台节点设备发送到第3台节点设备，依次类推，直到最后一台节点设备，主控设备和节点设备在转发音频数据的同时，通过自带的扬声器播放该音频数据。
[0035]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0036]
1、通过主控设备发送播放进度到节点设备来同步各个设备的播放进度；
[0037]
2、通过超声通信方式来发送播放进度到各个节点设备；
[0038]
3、直接利用设备自带的扬声器和麦克风就可以实现播放同步，无需增加额外硬件成本。
附图说明
[0039]
图1为本发明的声学级联设备的级联结构图；
[0040]
图2为本发明的整体流程图；
[0041]
图3为本发明的step1的流程图；
[0042]
图4为本发明的step2的流程图。
具体实施方式
[0043]
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0044]
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0045]
如图1-4所示，一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，用于实现声学级联设备的扬声器同步播放，声学级联设备主要包括1台主控设备和若干节点设备，主控设备和节点设备之间线性连接，每台设备都具有各自的麦克风和扬声器，要播放的音频数据先由主控设备发送到第1台节点设备，再由第1台节点设备发送到第2台节点设备，再由第2台节点设备发送到第3台节点设备，依次类推，直到最后一台节点设备，如图1所示，send_buf为通过级联线路发送数据的缓存，rev_buf为通过级联线路接收数据的缓存，play_buf为扬声器播放数据的缓存，rec_buf为麦克风采集数据的缓存，主控设备和节点设备在转发音频数据的同时，通过自带的扬声器播放该音频，该方法包括以下步骤：
[0046]
step1：开始播放前，同步主控设备和各节点设备的播放进度，然后开始播放；
[0047]
step2：经过t1时间播放后，重新同步主控设备和各节点设备的播放进度，继续播放；
[0048]
step3：重复step2，直到音频播放完毕或者主控设备发出停止播放指令。
[0049]
step1具体包括如下步骤：
[0050]
step1.1：主控设备通过级联线路持续发送要播放的音频数据a1到节点设备，主控设备和节点设备都阻塞播放；
[0051]
step1.2：在开始发送音频数据a1后t2时间之后，主控设备通过扬声器发射(即播放)声信号s1；
[0052]
step1.3：每台节点设备的麦克风接收到声信号s1后，进行信号解析，得到主控设备播放进度时间点，并保存之；
[0053]
step1.4：主控设备在发射声信号s1之后，延迟t3时间，开始通过扬声器播放音频a1；
[0054]
step1.5：每台节点设备根据自身到主控设备的距离对接收到的主控设备的播放进度进行调整，得到各自调整后的播放进度pi，i为节点设备编号；
[0055]
step1.6：每台节点设备调整接收到的音频a1的播放进度到pi，立即开始播放。
[0056]
播放进度定义为从音频开始到当前播放位置所流逝的时间，最小时间分辨率依赖于信号采样率。优选的，信号采样率为48khz，对应时间分辨率为0.02ms。
[0057]
step1.2中，时间t2的设置依赖于通过级联线路进行数据传输的延时，通常要设置为大于从主控设备传输数据到最后一台节点设备的最大延时。优选的，t2设置为100ms。
[0058]
step1.3中，主控设备播放进度时间点实际值为0。
[0059]
step1.4中，延迟时间t3的设置依赖于节点设备到主控设备的最远距离，通常要设置为大于主控设备所发射声信号s1到达最远节点设备的空间传播延时。优选的，最远节点设备距离为20m，t3设置为50ms。
[0060]
节点设备的接收缓存至少要设置为可接收长度为(t2+t3)时间再加上声信号s1的发射时间的数据，即：
[0061]
l＝(t2+t3+t
tx
)*f
[0062]
其中，l为数据接收缓存的大小(采样点数)，t
tx
为声信号s1的发射时间，f为信号采样率。
[0063]
step1.5中，每台节点设备的播放进度通过下式来计算：
[0064]
pi＝p
rev-t3+ζi[0065]
其中，pi为节点设备i的播放进度，p
rev
为接收到的主控设备的播放进度，通过解析接收到的主控设备发射的声信号s1得到，ζi为节点设备i的播放进度调整量，是声信号s1从主控设备传播到节点设备i的时间延迟，通过下式来计算：
[0066][0067]
其中，ri为节点设备i到主控设备的空间直线距离，c为空间声速。
[0068]
播放进度可以为负值，表示在接收到声信号s1后需要延迟播放的时间。
[0069]
step2具体包括如下步骤：
[0070]
step2.1：主控设备根据当前音频a1的播放进度和上一次同步时刻进度，设计声信号s1，然后通过扬声器发射出去；
[0071]
step2.2：每台节点设备的麦克风接收到声信号s1后，进行信号解析，得到当前主控设备相对上次同步时刻的播放进度δ
p
(相对播放进度)；
[0072]
step2.3：每台节点设备根据上一次同步时刻的播放进度和接收到的相对播放进度δ
p
计算得到当前主控设备的播放进度p
rev
；
[0073]
step2.4：每台节点设备根据自身相对主控设备的距离对主控设备的播放进度进行调整，得到各自的播放进度
[0074]
step2.5：调整每台节点设备当前音频a1的播放进度到继续播放。
[0075]
同步操作的时间间隔t1，可设置为固定值，也可设置为变化值。具体可根据实际硬件的时延和时钟精度来合理设置。
[0076]
step2.3中，节点设备计算当前主控设备的播放进度的公式如下：
[0077][0078]
step2.4中，节点设备的播放进度可以通过下式来计算：
[0079][0080]
step1.2和step2.1中，主控设备发射的声信号s1为不可听声学信号(低频超声信
号)，频带范围18khz～24khz。
[0081]
声信号s1采用正交幅度调制(qam)调制方式，编码当前主控设备的播放进度或者相对上一次同步时刻播放进度的偏移量。优选的，采用64-qam调制编码，数据传输速率为1kbps。播放进度或者进度偏移量被编码成一个30位二进制数，然后分成5组，分别采用64-qam进行编码调制，最后形成声信号s1，通过主控设备扬声器发送。
[0082]
step1.3和step2.2中，接收声信号s1是指节点设备通过麦克风采集空间声学信号，然后通过检测特定频带信号能量来检测声信号s1。所述特定频带是指18khz～24khz频带。
[0083]
step1.3和step2.2中，对接收到的声信号s1进行解析，主要是指对信号进行qam解调，超声信号的qam编码调制和解调算法都是无线通信领域的成熟算法。
[0084]
主控设备通过扬声器和节点设备进行通信，定时/不定时发送当前播放进度，节点设备接收到之后，调整自身播放进度。所述时间t1可以设置为固定值，也可以依据其它因素设置为变量。
[0085]
本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。
[0086]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，包括以下步骤：step1：开始播放前，同步主控设备和各节点设备的播放进度，然后开始播放；step2：经过t1时间播放后，重新同步主控设备和各节点设备的播放进度，继续播放；step3：重复step2，直到音频播放完毕或者主控设备发出停止播放指令。2.根据权利要求1所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step1具体包括如下步骤：step1.1：主控设备通过级联线路持续发送要播放的音频数据a1到节点设备，主控设备和节点设备都阻塞播放；step1.2：在开始发送音频数据a1后t2时间之后，主控设备通过扬声器发射声信号s1；step1.3：每台节点设备的麦克风接收到声信号s1后，进行信号解析，得到主控设备播放进度时间点，并保存之；step1.4：主控设备在发射声信号s1之后，延迟t3时间，开始通过扬声器播放音频a1；step1.5：每台节点设备根据自身到主控设备的距离对接收到的主控设备的播放进度进行调整，得到各自调整后的播放进度p
i
，i为节点设备编号；step1.6：每台节点设备调整接收到的音频a1的播放进度到p
i
，立即开始播放。3.根据权利要求2所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step1.2中，t2时间的设置依赖于通过级联线路进行数据传输的延时，大于从主控设备传输数据到最后一台节点设备的最大延时。4.根据权利要求2所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step1.3中，主控设备播放进度时间点实际值为0。5.根据权利要求2所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step1.4中，延迟时间t3的设置依赖于节点设备到主控设备的最远距离，大于主控设备所发射声信号s1到达最远节点设备的空间传播延时。6.根据权利要求2所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step1.5中，每台节点设备的播放进度通过下式来计算：p
i
＝p
rev-t3+ξ
i
其中，p
i
为节点设备i的播放进度，p
rev
为接收到的主控设备的播放进度，通过解析接收到的主控设备发射的声信号s1得到，ξ
i
为节点设备i的播放进度调整量，是声信号s1从主控设备传播到节点设备i的时间延迟，通过下式来计算：其中，r
i
为节点设备i到主控设备的空间直线距离，c为空间声速。7.根据权利要求1所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step2具体包括如下步骤：step2.1：主控设备根据当前音频a1的播放进度和上一次同步时刻进度，设计声信号s1，然后通过扬声器发射出去；step2.2：每台节点设备的麦克风接收到声信号s1后，进行信号解析，得到当前主控设备相对播放进度δ
p
；step2.3：每台节点设备根据上一次同步时刻的播放进度和接收到的相对播放进度δ
p
计算得到当前主控设备的播放进度p
′
rev
；step2.4：每台节点设备根据自身相对主控设备的距离对主控设备的播放进度p
′
rev
进行调整，得到各自的播放进度step2.5：调整每台节点设备当前音频a1的播放进度到继续播放。8.根据权利要求1所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step2.3中，节点设备计算当前主控设备的播放进度的公式如下：p
′
rev
＝p
rev
+δ
p
9.根据权利要求1所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，step2.4中，节点设备的播放进度通过下式来计算：10.根据权利要求1所述的一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，其特征在于，所述声学级联设备主要包括1台主控设备和若干节点设备，所述主控设备和节点设备之间线性连接，每台设备都具有各自的麦克风和扬声器，要播放的音频数据先由主控设备发送到第1台节点设备，再由第1台节点设备发送到第2台节点设备，再由第2台节点设备发送到第3台节点设备，依次类推，直到最后一台节点设备，主控设备和节点设备在转发音频数据的同时，通过自带的扬声器播放该音频数据。

技术总结
本发明公开了一种声学级联设备的扬声器播放同步方法，包括以下步骤：Step1：开始播放前，同步主控设备和各节点设备的播放进度，然后开始播放；Step2：经过T1时间播放后，重新同步主控设备和各节点设备的播放进度，继续播放；Step3：重复Step2，直到音频播放完毕或者主控设备发出停止播放指令。本发明提供的声学级联设备的扬声器播放同步方法中，通过主控设备发送播放进度到节点设备来同步各个设备的播放进度，通过超声通信方式来发送播放进度到各个节点设备，直接利用设备自带的扬声器和麦克风就可以实现播放同步，无需增加额外硬件成本。本。本。


技术研发人员：张李 王欢良 李霄 唐浩元 吴洪宇
受保护的技术使用者：苏州奇梦者科技有限公司
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/10/19