一種用于艙室聲源定位的雙傳聲器方法及其性能研究

曾向陽，馬慧穎，王海濤

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

一種用于艙室聲源定位的雙傳聲器方法及其性能研究

曾向陽，馬慧穎，王海濤

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

針對(duì)艙室空間中背景噪聲和混響對(duì)傳統(tǒng)聲源定位算法的影響較大，以及所需陣列和算法復(fù)雜等問題，給出了一種基于雙通道空間脈沖響應(yīng)匹配的聲源定位方法。利用該方法在實(shí)際房間中進(jìn)行了聲源定位實(shí)驗(yàn)，考察了不同尺寸發(fā)聲裝置、不同信噪比、不同混響條件下的定位性能。結(jié)果表明，在滿足輻射聲能要求的情況下，幾種發(fā)聲裝置都具有很高的定位準(zhǔn)確性，但尺寸越小，對(duì)應(yīng)的誤差范圍也越小，即空間分辨率越高；在信噪比大于2 dB時(shí)，普通房間中的空間分辨率可達(dá)最小15 cm；該方法的定位精度受空間內(nèi)部混響程度的影響較小；當(dāng)聲源緩慢移動(dòng)時(shí)，該方法也具有良好的定位效果。

聲學(xué)；算法；波束形成；艙室；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；誤差；流程圖；傅里葉變換；網(wǎng)格生成；混響；原理圖；傳聲器陣列；信噪比；發(fā)聲裝置；艙室空間；脈沖響應(yīng)；匹配；聲源定位

艙室空間內(nèi)部聲源定位是聲學(xué)定位研究中的一項(xiàng)難題，同時(shí)也是一項(xiàng)應(yīng)用需求廣泛的技術(shù)，如飛機(jī)艙室噪聲源定位，會(huì)議室智能話筒傳音控制系統(tǒng)，車載電話系統(tǒng)，以及各種室內(nèi)聲學(xué)跟蹤或監(jiān)控系統(tǒng)。封閉空間的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混響程度較高，小尺度空間常常還有聲波干涉、衍射效應(yīng)，這對(duì)聲源定位技術(shù)的精度和穩(wěn)定性都提出了更高的要求。

目前，常用的封閉空間聲源定位方法有基于麥克風(fēng)陣列的方法和基于雙耳聽覺機(jī)理的雙傳聲器方法。前者主要包括可控波束形成，高分辨率譜估計(jì)以及到達(dá)時(shí)間差。這些方法及其不斷更新的算法與特定的傳聲器陣列結(jié)合，可獲得良好的定位精度［1－3］，因而已在大區(qū)域開放式環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這些方法存在算法復(fù)雜、陣型需專門設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本較高以及在封閉空間中容易受到噪聲和混響的影響等問題［4－8］，因此往往難以直接應(yīng)用于中小尺度的艙室空間。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種新的封閉空間聲源定位方法，即基于雙通道空間脈沖響應(yīng)匹配的聲源定位方法，并通過實(shí)際房間中的定位實(shí)驗(yàn)，對(duì)其可行性及主要影響因素進(jìn)行分析和研究。

1　基于空間脈沖響應(yīng)匹配的聲源定位方法

1.1基本原理

聲場(chǎng)空間脈沖響應(yīng)(SIR)是指聲場(chǎng)中接收位置收到的由脈沖聲源輻射的信號(hào)序列。同一房間內(nèi)，當(dāng)聲源與接收點(diǎn)的位置固定時(shí)，可以認(rèn)為二者之間的傳播通道是唯一的，即脈沖響應(yīng)是唯一的確定函數(shù)，它包含了封閉聲場(chǎng)的所有聲學(xué)特性，可以準(zhǔn)確地反映聲學(xué)環(huán)境(方向、距離、空間感等)［9］。SIR由直達(dá)聲、前次反射聲和混響聲組成［10］，其形成過程和結(jié)果分別如圖1和圖2所示。目前對(duì)空間脈沖響應(yīng)的研究主要在脈沖響應(yīng)的測(cè)量方法，室內(nèi)和雙耳脈沖響應(yīng)的模擬，脈沖響應(yīng)各階段的分析，音樂廳等的音質(zhì)評(píng)估和設(shè)計(jì)等方面。

如果事先能夠通過計(jì)算或測(cè)量獲得該聲場(chǎng)中任意聲源位置到接收點(diǎn)的SIR，則可通過雙傳聲器接收的信號(hào)計(jì)算得到聲源至2個(gè)傳聲器通道響應(yīng)之間的相互關(guān)系，再與數(shù)據(jù)庫里的各個(gè)采樣聲源對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，即可確定真實(shí)聲源的位置。

圖1　空間脈沖響應(yīng)的形成過程

圖2　空間脈沖響應(yīng)

1.2算法設(shè)計(jì)

基于上述原理，具體算法設(shè)計(jì)如下：

設(shè)未知聲源S發(fā)射的信號(hào)s(t)為單頻信號(hào)，hα、hβ分別為未知聲源S到雙傳聲器的空間脈沖響應(yīng)，忽略本底噪聲的影響，則雙傳聲器接收到的信號(hào)分別為

對(duì)(1)式和(2)式進(jìn)行傅里葉變換得

f為聲源信號(hào)的頻率。由于聲源信號(hào)s(t)未知，為消去其影響，用(3)式除以(4)式，得

從(5)式可以看出，實(shí)際定位時(shí)并不需要知道聲源信號(hào)s(t)，而只需知道雙通道傳遞函數(shù)的比例關(guān)系。

將Φ，Ψ作互相關(guān)運(yùn)算，即

將基于實(shí)測(cè)聲信號(hào)計(jì)算得到的Φ與數(shù)據(jù)庫中的所有Ψ作互相關(guān)，計(jì)算出R1，R2，…，Rn，找出相關(guān)系數(shù)最大的1組數(shù)據(jù)Ri，其中位置編號(hào)定義為：

2　實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取一個(gè)普通房間(如圖3所示)。

圖3　實(shí)驗(yàn)房間

建立數(shù)據(jù)庫時(shí)聲源分布網(wǎng)格如圖4所示，所有網(wǎng)格處于相同的高度。脈沖響應(yīng)采樣裝置和聲源定位測(cè)試裝置連接圖如圖5所示。在房間內(nèi)均勻劃分m×m＝n個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為d。房間大小為8.3 m× 5.5 m×3.8 m。信噪比大約為5 dB。兩傳聲器分別位于Rα(4.2，4，3.6)，Rβ(5.3，2.8，3.6)處。采樣時(shí)用圖5里的采樣裝置，聲源高度固定，利用DIRAC測(cè)量系統(tǒng)得到聲源到雙傳聲器的脈沖響應(yīng)并存入數(shù)據(jù)庫。定位時(shí)用圖5里的實(shí)測(cè)裝置，測(cè)試聲源采用時(shí)長(zhǎng)約2 s的信號(hào)，在每個(gè)網(wǎng)格中心進(jìn)行5次重復(fù)定位，結(jié)果出現(xiàn)最多的位置即認(rèn)為是未知聲源的位置，定位流程如圖6所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)房間示意圖

圖5　實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖6　定位流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1不同尺寸發(fā)聲裝置的定位誤差研究

在圖3所示的房間中按圖6中的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。n取100，分別采用直徑為50 cm的球形聲源，直徑為14 cm的揚(yáng)聲器和直徑為7 cm的揚(yáng)聲器作為發(fā)聲裝置，受到聲源尺寸的限制，網(wǎng)格劃分間隔(對(duì)應(yīng)于空間分辨率)也有所不同，統(tǒng)計(jì)所得的100個(gè)網(wǎng)格的定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　不同發(fā)聲裝置的空間分辨率和定位準(zhǔn)確率

由表1可以看出，發(fā)聲裝置的尺寸越小，空間分辨率越高，因?yàn)榘l(fā)聲裝置本身占據(jù)一定的空間，當(dāng)其尺寸足夠小，可認(rèn)為是點(diǎn)聲源時(shí)，空間分辨率可達(dá)到最高。不過，幾種情況下的定位準(zhǔn)確率都維持在很高的水平。

3.2混響環(huán)境下的定位性能研究

為了進(jìn)一步探討不同混響程度下的定位準(zhǔn)確率，分別在混響時(shí)間T60＝0.438 s、1.769 s、4.373 s的消聲室、1號(hào)普通房間以及2號(hào)普通房間中進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，所有房間劃分網(wǎng)格數(shù)n均取25，網(wǎng)格間距d均取20 cm，發(fā)聲裝置采用直徑14 cm的揚(yáng)聲器，對(duì)25個(gè)位置重復(fù)定位125次，統(tǒng)計(jì)得到的定位準(zhǔn)確率均為100%。這表明，在不同的混響環(huán)境中，該方法均具有較高的定位準(zhǔn)確率，即受混響影響小。

3.3不同信噪比條件下的定位性能研究

網(wǎng)格數(shù)n均取25，網(wǎng)格間距d均取20 cm，發(fā)聲裝置采用直徑14 cm的揚(yáng)聲器，實(shí)驗(yàn)房間如圖6所示。通過在傳聲器附近播放白噪聲和改變測(cè)試聲源的音量來獲得不同的信噪比SNR，分別選取SNR約為0 dB、1 dB、2 dB、3 dB、4 dB、5 dB、6 dB時(shí)按圖6所示的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同信噪比下25個(gè)網(wǎng)格的定位準(zhǔn)確率如圖7所示。

圖7　不同信噪比下的定位準(zhǔn)確率

從圖7可以看出，背景噪聲對(duì)該方法影響顯著，當(dāng)信噪比低于2 dB時(shí)，因不滿足輻射聲能的要求，定位準(zhǔn)確率不到10%，信噪比高于2 dB后，定位準(zhǔn)確率均超過90%。這表明，該方法在信噪比滿足一定的數(shù)值時(shí)可以維持很高的定位精度。

3.4緩慢移動(dòng)聲源的定位研究

室內(nèi)環(huán)境中的聲源一般移動(dòng)緩慢，可以忽略多普勒效應(yīng)。仍然在圖3所示的房間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，聲源以50 cm/s的速度按不同路線移動(dòng)，其中1條移動(dòng)軌跡如圖8所示。表2給出了按2種不同路線移動(dòng)時(shí)統(tǒng)計(jì)的定位結(jié)果。

圖8　采樣點(diǎn)及聲源移動(dòng)路線示意圖

表2　聲源移動(dòng)時(shí)的定位結(jié)果

結(jié)合圖8和表2結(jié)果可以看出，當(dāng)聲源緩慢移動(dòng)時(shí)，跟蹤定位結(jié)果準(zhǔn)確率為100%，說明該方法在聲源緩慢移動(dòng)的情況下也可以獲得很高的定位準(zhǔn)確率。

4　結(jié) 論

本文基于空間中聲源到接收點(diǎn)脈沖響應(yīng)的唯一性，提出了一種新的艙室聲源定位方法，即基于雙通道空間脈沖響應(yīng)匹配的聲源定位方法，并研究了該方法的空間分辨率以及不同的混響、信噪比和聲源移動(dòng)情況下的定位準(zhǔn)確率。該方法計(jì)算量小，兼容性高，應(yīng)用前景廣泛。

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A Novel Dual MicroPhones Method and its Performance for Sound Source Localization in Cabins

Zeng Xiangyang，Ma Huiying，Wang Haitao
(College of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China)

For sound source localization in cabin spaces，the ambient noise and reverberation have significant impact on traditional source localization algorithms and these algorithms and the array are usually complex.Therefore， we proposed a source localization method based on dual－channel spatial impulse response matching.A series of source localization experiments were carried out in a real room，and the performance of the method under different dimensions of sounding devices，SNR and reverberation were investigated.The results and their analysis show preliminarily that sound devices have high spatial resolution while satisfying the requirement of the radiated acoustic energy，and the smaller the size，the smaller is the error range which corresponds to higher spatial resolution；when the SNR is greater than 2 dB，spatial resolution in common room is 15 cm；spatial internal reverberation degree has a small effect on localization accuracy；when the sound source moves slowly，this method also has a good localization effect.

acoustics，algorithms，beamforming，cabins(aircraft)，design of experiments，errors，flowcharting， Fourier transforms，mesh generation，reverberation，schematic diagrams，sensor arrays，signal to noise ratio，sounding apparatus；cabin spaces，impulse response，match，source localization

O429

A

1000-2758(2016)02-0189-05

2015-10-22基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(A040504)資助

曾向陽(1974—)，西北工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要從事室內(nèi)聲學(xué)和聲信號(hào)處理研究。