采用麥克風(fēng)陣列的圖書館人為噪聲監(jiān)測研究

關(guān)鍵詞：圖書館；人為噪聲；麥克風(fēng)陣列；監(jiān)測

摘要：圖書館的閱覽室、自習(xí)室是需要保持安靜氛圍的學(xué)習(xí)場所，但經(jīng)常存在的聊天、喧嘩等人為噪聲嚴(yán)重影響了閱讀和自習(xí)的效果。由于空間大、開放時(shí)間長、讀者人數(shù)多，噪聲監(jiān)測是圖書館管理的難點(diǎn)。麥克風(fēng)陣列因其可以利用空間信息提高信號(hào)處理的性能，被廣泛應(yīng)用于聲源定位、降低噪音及語音增強(qiáng)等領(lǐng)域。文章分析了將麥克風(fēng)陣列技術(shù)引入圖書館閱覽室、自習(xí)室進(jìn)行噪聲方位監(jiān)測的可行性，并針對(duì)典型噪聲類型進(jìn)行了麥克風(fēng)陣列參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)典型噪聲方位的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測。

中圖分類號(hào)：G250文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-1588（2018）10-0131-03

1背景

各類高校圖書館、公共圖書館及社區(qū)圖書館的閱覽室和自習(xí)室是需要保持安靜氛圍的場所，但在實(shí)際開放中，時(shí)常存在少數(shù)讀者聊天、喧嘩、打電話等人為噪聲，嚴(yán)重干擾了閱讀和自習(xí)的效果。該類閱讀和學(xué)習(xí)場所空間大、開放時(shí)間長、讀者人數(shù)多，而管理人員又相對(duì)較少，因此，噪聲監(jiān)測就成為圖書館管理的一個(gè)難點(diǎn)問題。肖紅等分析了圖書館噪聲對(duì)讀者的影響，卞慶詳?shù)确治霾⑻岢霾捎脥徫慌嘤?xùn)、檢查監(jiān)督、改善設(shè)施等控制和消除圖書館人為噪音的措施。劉石等基于ARM處理器研究了一種結(jié)合單麥克風(fēng)噪聲監(jiān)測、無線發(fā)射報(bào)警信號(hào)的圖書館噪聲無線監(jiān)測系統(tǒng)，但該監(jiān)測系統(tǒng)只能根據(jù)音量進(jìn)行監(jiān)測，無法給出噪聲源的具體方位信息，影響了進(jìn)行提醒和警示的管理效率。麥克風(fēng)陣列技術(shù)可以利用多個(gè)呈一定幾何陣列關(guān)系分布的麥克風(fēng)獲取空間處理增益，從而達(dá)到獲取聲源方位，抑制背景噪聲，增強(qiáng)信號(hào)的效果，在視頻會(huì)議、智能家居、機(jī)器人等領(lǐng)域已獲得廣泛的應(yīng)用。復(fù)旦大學(xué)孫放等人在廣義互相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一組麥克風(fēng)三維麥克風(fēng)陣列利用迭代收縮優(yōu)化算法精確定位目標(biāo)源，陳磊等人提出了一種可同時(shí)獲得目標(biāo)說話人方位的GSC改進(jìn)語音增強(qiáng)方法。與上述工作面向的人機(jī)語音交互等應(yīng)用相比，圖書館具有空間大等特點(diǎn)，這給麥克風(fēng)陣列技術(shù)的應(yīng)用帶來了困難。考慮到麥克風(fēng)陣列技術(shù)的特點(diǎn)和圖書館學(xué)習(xí)、閱覽、自習(xí)等大空間場所人為噪聲監(jiān)測的要求，筆者將麥克風(fēng)陣列技術(shù)引入圖書館噪聲監(jiān)測，利用麥克風(fēng)陣列具有的聲源定位功能可以對(duì)圖書館場所內(nèi)的噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，并可采用燈光提示、管理員介入等方式進(jìn)行提醒，從而達(dá)到提高讀者閱讀和學(xué)習(xí)效率的目的。

2麥克風(fēng)陣列及其參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1麥克風(fēng)陣列技術(shù)簡介

麥克風(fēng)陣列的陣型有多種樣式，不同的陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)工作性能有著重要的影響。目前，常見的麥克風(fēng)陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一維線性陣列、二維面陣和三維立體陣列。其中一維線性陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有均勻陣列、非均勻陣列和嵌套陣列。線性陣列是麥克風(fēng)陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中算法較為簡單、設(shè)置較為方便的一種，考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方便性，筆者采用線性陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)。

考慮由N個(gè)麥克風(fēng)組成的線性麥克風(fēng)陣列，在假設(shè)麥克風(fēng)各向同性的理想條件下，其中第n個(gè)麥克風(fēng)（n=1，2，…，N）接收到信號(hào)可表示為：

χn（t）=αns（t-τn）+νn（t）（1）

其中αn為傳播衰減因子，τn為聲源到第n個(gè)麥克風(fēng)的傳播時(shí)延，νn（t）為加性噪聲。則t時(shí)刻長度為L的信號(hào)向量：

Xn（t）=[xn（t），xn（t-1），…xn（t-L+1）]T （2）

其相應(yīng)的頻譜表示為：Xn（f）=∑L-1k=0xn（t-k）e-2πjfkL，f=0，1，…，L-1，因此，頻域N個(gè)麥克風(fēng)的接收信號(hào)矩陣表示為：X（f）=[X1（f），X2（f），…XN（f）]T。

則，在頻率f對(duì)對(duì)準(zhǔn)方向θ獲得的波束形成輸出為：

Y（f，θ）=WH（f，θ）X（f）（3）

其中H為Hermitian轉(zhuǎn)置，WH（f，θ）為波束形成器對(duì)準(zhǔn)方向θ對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣。則波束形成獲得的空間-功率譜分布表示為：

P（f，θ）=E[Y（f，θ）2]

=WH（k，θ）E[X（f，θ）XH（k，f）]W（f，θ）

=WH（f，θ）（f）W（f，θ）（4）

其中（f）為功率譜密度矩陣，E[ ]代表期望。對(duì)線性麥克風(fēng)陣列而言，遠(yuǎn)場條件下注視θ方向的波束形成系數(shù)為：

A（f，θ）=[1，e-j2πfdsin（θ）cL，…e-j2πfdsin（θ）（N-1）cL，]T（5）

其中c為空氣中聲速，取340m/s，d為陣元間距。對(duì)于SPR波束形成方法可獲得的空間-功率譜分布為：

PSRP（f，θ）=AH（f，θ）（f）A（f，θ）（6）

根據(jù)上述公式進(jìn)行陣列信號(hào)處理可以獲得噪聲對(duì)應(yīng)的空間分布信息，實(shí)現(xiàn)空間定位。

2.2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖書館人為噪聲典型參數(shù)，筆者進(jìn)行圖書館噪聲監(jiān)測麥克風(fēng)陣列參數(shù)設(shè)計(jì)。麥克風(fēng)陣列間距d是一個(gè)重要參數(shù)，影響著聲源定位和麥克風(fēng)聲音拾取的效果。通常情況下，麥克風(fēng)陣列間距d的取值和陣列的空間分辨力成正比，d值越大，陣列的空間分辨力越強(qiáng)。但d也不能無限大，它有一個(gè)理論范圍，d通常等于輸入信號(hào)的波長的一半。由于在較短的時(shí)間（10-30ms）內(nèi)可近似認(rèn)為語音具備短時(shí)平穩(wěn)特性，從而可對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行短時(shí)譜分析處理，人為噪聲主要能量的頻率范圍約在300-3400HZ之間，則有：

d=λ2=c2f（7）

式中λ是信號(hào)波長， f為信號(hào)頻率，本文取300-3000HZ；因此有：c2fmax<_ d<_ c2fmin，可得陣列設(shè)計(jì)間距為0.25m。

3實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文采用的實(shí)驗(yàn)場地為某高校大廳，大廳具有較大空間，面積為548平方米，房間混響時(shí)間T60用賽賓公式近似估算約為2.4s。根據(jù)上文進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)參數(shù)為：8元直線麥克風(fēng)陣列，陣元間距0.25m，并采用基于STM32F407嵌入式系統(tǒng)的8通道采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，采集后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析顯示（見圖1），信號(hào)采樣率為16kHz，量化位數(shù)為24bit。本文采用的SRP波束形成器設(shè)置的頻率范圍為500Hz-5KHz，處理窗長為1，024點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)以音箱播放語音信號(hào)作為模擬人為噪聲的測試信號(hào)，播放模擬人為噪聲的音箱距離麥克風(fēng)陣列距離為5米。模擬人為噪聲的播放音量設(shè)置為相當(dāng)于正常對(duì)話音量的70dB（a）聲壓級(jí)，采用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行信號(hào)采集、處理及方位顯示。圖2為實(shí)驗(yàn)測試信號(hào)及其聲譜圖，從圖2可以看出圖書館典型干擾噪聲的語音頻譜分布特點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置由500Hz-4KHz的掃頻信號(hào)用于測量實(shí)驗(yàn)環(huán)境的房間傳輸響應(yīng)。

胡海云：采用麥克風(fēng)陣列的圖書館人為噪聲監(jiān)測研究

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者將系統(tǒng)陣列中單麥克風(fēng)采集獲得的掃頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，可以得到測試房間的房間傳輸響應(yīng)（見圖3）。從圖3可以看出，在20-40ms區(qū)域存在幾處較為明顯的早期混響成分，測試環(huán)境屬于較為典型的具有混響特性的室內(nèi)結(jié)構(gòu)。

圖4所示為模擬人為噪聲分別處于45度和135度時(shí)，在采樣率帶寬內(nèi)麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)獲得的能量-方位分布。從圖4可以看出，在45度和135度對(duì)應(yīng)噪聲方向呈現(xiàn)明顯的波束，波束的尖銳程度反映了噪聲相對(duì)于背景的相對(duì)強(qiáng)度信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具備在較大空間內(nèi)對(duì)噪聲源的檢測及方位估計(jì)能力，從而可實(shí)現(xiàn)提醒設(shè)置、圖像化顯示等方位信息輸出，提高了圖書館人為噪聲管控的效率。

在實(shí)際場景中可能同時(shí)存在多處人為噪聲的情況，為了評(píng)估系統(tǒng)對(duì)同時(shí)出現(xiàn)多處干擾噪聲時(shí)的監(jiān)測性能，實(shí)驗(yàn)采用2個(gè)音箱同時(shí)播放模擬人為噪聲的測試語音。圖5給出了對(duì)兩處同時(shí)出現(xiàn)的模擬人為噪聲的監(jiān)測輸出，可以看出在兩處對(duì)應(yīng)角度均出現(xiàn)了明顯的波束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，麥克風(fēng)陣列噪聲監(jiān)測系統(tǒng)具備對(duì)同時(shí)出現(xiàn)兩處模擬人為噪聲進(jìn)行方位監(jiān)測的性能。

4結(jié)語

針對(duì)圖書館閱覽室、自習(xí)室等大空間場所存在的人為噪聲干擾問題，筆者將麥克風(fēng)陣列技術(shù)引入圖書館人為噪聲方位監(jiān)測，根據(jù)典型人為噪聲參數(shù)特性進(jìn)行麥克風(fēng)陣列參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效對(duì)模擬人為噪聲進(jìn)行方位監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)可視化的輸出和記錄。該系統(tǒng)結(jié)合設(shè)置燈光預(yù)警、管理員介入提醒等防治措施，可以在空間大、開放時(shí)間長、讀者多、管理員少的情況下進(jìn)行圖書館人為噪聲的自動(dòng)監(jiān)測和管控，從而提高讀者的閱讀效率。

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